Nogueira

Nogueira

(Parte 1 de 4)

Microbiologia Microbiologia

Microbiologia

Alexandre Verzani Nogueira Germano Nunes Silva Filho

1ª Edição Revisada. Florianópolis, 2015.

Catalogação na fonte elaborada na DECTI da Biblioteca Universitária da Universidade Federal de Santa Catarina.

Copyright © 2015 Universidade Federal de Santa Catarina. Biologia/EaD/UFSC Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada sem a prévia autorização, por escrito, da Universidade Federal de Santa Catarina.

N778mNogueira, Alexandre Verzani
Microbiologia / Alexandre Verzani Nogueira, Germano Nunes Silva
Filho. – Florianópolis : Biologia/EaD/UFSC, 2015.
211 p.: il., grafs., tabs., plantas
ISBN 978-85-61485-26-9
1. Microbiologia. 2. Ensino. 3. Biologia. I. Silva Filho, Germano
Nunes. I. Título.

CDU: 576.8

Coordenação de Ambiente Virtual Michel Kramer Borges de Macedo Comissão Editorial Viviane Mara Woehl, Alexandre Verzani Nogueira, Milton Muniz

Projeto Gráfico Material Impresso e on-line

Coordenação Prof. Haenz Gutierrez Quintana Equipe Henrique Eduardo Carneiro da Cunha, Juliana Chuan Lu, Laís Barbosa, Ricardo Goulart Tredezini Straioto

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Design Educacional

Design Educacional Larissa Zancan Rodrigues Revisão gramatical Ana Carolina de Melo Martins

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Presidente da República Dilma Vana Rousseff Ministro de Educação Renato Janine Ribeiro Diretor de educação a Distância/CAPES Jean Marc Georges Mutzig

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Curso de Licenciatura em Ciências Biológicas na Modalidade a Distância

Diretora Unidade de Ensino Sonia Gonçalves Carobrez Coordenadora de Curso Viviane Mara Woehl Coordenadora de Tutoria Leila da Graça Amaral Coordenação Pedagógica LANTEC/CED

Apresentação9
1 Introdução à Microbiologia1
1.1 Histórico13
1.2 Posição dos microrganismos na árvore da vida17
Resumo20
Referências20
2 Bactérias23
2.1 Morfologia e estrutura bacteriana25
2.1.1 Formas das bactérias26
2.1.2 Arranjos bacterianos28
2.2 Estruturas externas e internas das células bacterianas28
2.2.1 Estruturas externas30
2.2.2 Estruturas internas32
2.3 Genética bacteriana36
2.3.1 Material genético da bactéria36
2.3.2 Replicação do DNA37
2.3.3 Transcrição, tradução e síntese de proteínas37
2.3.4 Mutação e Recombinação do material genético40
2.3.5 Genética e Biotecnologia42
Resumo47
Referências48
3 Reino Protista51
3.1 Algas53
3.1.1 Introdução53

Sumário 3.1.2 A importância das algas .............................................................................5

3.2.1 Classificação59
3.2.2 Importância60
Resumo61
Referências61
4 Fungos63
4.1 Introdução65
4.2 Características65
4.3 Morfologia67
4.3.1 Sistema somático67
4.3.2 Sistema Reprodutivo69
4.4 Sistemática de fungos73
4.4.1 Reino Protista73
4.4.2 Reino Stramenopila74
4.4.3 Reino Fungi7
4.5 Disseminação82
4.6 Importância84
4.7 Nova classificação dos Fungos84
Resumo85
Referências86
5 Vírus89
5.1 Introdução91
5.2 Características gerais dos vírus93
5.3 Taxonomia viral98
5.4 Ciclo de vida dos bacteriófagos98
5.5 Cultivo dos vírus9
5.6 Outros agentes infecciosos9
5.7 Viroses100
Resumo101
Referências101
6 Interações com microrganismos103
6.1 Introdução105
6.2 Interações positivas105
6.2.1 Neutralismo105
6.2.2 Simbiose105
6.2.3 Protocooperação106
6.3.1 Parasitismo107
6.3.2 Predatismo108
6.3.3 Competição108
6.3.4 Amensalismo109
Resumo110
Referências1
7 Microbiologia do Solo115
7.1 O solo117
7.2 Microrganismos do solo118
7.3 Efeitos dos fatores ambientais119
7.3.1 Fatores primários120
7.3.2 Fatores secundários121
7.4 Funções dos microrganismos no solo123
7.5 Rizosfera127
Resumo129
Referências130
8 Microbiologia da Água133
8.1 Introdução135
8.2 Microrganismos e aspectos de saúde136
8.3 Coliformes137
8.4 Métodos de análises microbiológicas de água139
8.4.1 Método dos Tubos Múltiplos ou Número Mais Provável139
8.4.2 Método da Membrana de Filtro141
8.4.3 Outras análises141
Resumo142
Referências142
9 Microbiologia do Ar147
9.1 Introdução149
9.2 Fontes de contaminação149
9.3 Fatores que afetam a população151
9.4 Métodos de avaliação151
9.5 Controle da população152
9.6. Utilidade153
Resumo153

6.3 Interações Negativas ............................................................................................. 107 Referências ..................................................................................................................... 153

10.1 Introdução157
10.2 Ciclo do Carbono157
10.2.1 Decomposição dos compostos adicionados ao solo159
10.3 Ciclo do Nitrogênio160
10.3.2 Nitrificação162
10.3.3 Desnitrificação163
10.3.4 Imobilização163
10.3.5 Fixação de nitrogênio164
10.4 Ciclo do Enxofre170
10.5 Ciclo do Fósforo171
10.6 Ciclo do Potássio172
Resumo173
Referências173
1 Patogenicidade175
1.1 Introdução177
1.2 Etapas do desenvolvimento da doença178
Resumo182
Referências182
12 Controle de microrganismos185
12.1 Introdução187
12.2 Fatores que afetam os microrganismos188
12.3 Agentes físicos189
12.4 Agentes químicos195
Resumo198
Referências198
13 Microbiologia Industrial - Biotecnologia201
13.1 Introdução203
13.2 Substratos em biotecnologia206
13.3 Produtos e processos da biotecnologia206
13.4 Aplicações em meio ambiente210
Resumo215

Apresentação

O conteúdo apresentado neste livro de Microbiologia representa um esforço dos professores autores em procurar transmitir aos alunos os conhecimentos adquiridos ao longo de anos de ministração de cursos na modalidade presencial. Não é uma obra acabada, mas o início de uma tentativa de uma nova forma de ensinar. Portanto, caro aluno, você é parte importante deste processo. Ninguém melhor do que você para nos ajudar a melhorar este material ao longo do nosso curso. Durante a leitura deste material você encontrará informações sobre o histórico da microbiologia e dos organismos que são objeto de estudo dos microbiologistas: bactérias, algas, protozoários, fungos e vírus. Também serão discutidas: a presença dos microrganismos nos mais diferentes ambientes como o solo, a água e o ar, bem como as atividades desenvolvidas por eles e que representam importantes funções na manutenção da vida do planeta. Em adição, os microrganismos apresentam uma intensa atividade social em relacionamentos com outros seres vivos e com o meio ambiente. Algumas destas interações são positivas e outras negativas, como as relacionadas à patogenicidade. Por fim, é importante conhecer as formas de controlar os microrganismos e os produtos microbianos que utilizamos no cotidiano e que muitas vezes nos passam despercebidos e parecem ser de pouca importância. Na verdade, ninguém vive sem os microrganismos, que estão ao nosso redor e dentro de nós.

Alexandre Verzani Nogueira Germano Nunes Silva Filho

Introdução à Microbiologia

Neste capítulo serão apresentados os principais personagens e suas contribuições para o desenvolvimento da microbiologia. Também será discutido ao longo do tempo o posicionamento dos microrganismos na árvore da vida.

13Introdução à Microbiologia

1.1 Histórico

Desde a antiguidade havia a suspeita de que deveriam existir organismos menores do que aqueles que se podia observar. Alguns se aventuravam a dizer que nas costas de um animal maior existia um menor, e neste menor existia um ainda menor e assim sucessivamente. Havia também a ideia de que as doenças se propagavam por sementes. Mas quem pela, primeira vez, convenceu o mundo de que os microrganismos existiam foi Antony Van Leeuvenhoek, considerado o pai da Microbiologia.

Leeuvenhoek era um holandês, comerciante de tecidos. Para não ser enganado na compra, começou a utilizar lentes para verificar os produtos que adquiria. Isto despertou o seu interesse na produção destes instrumentos. Ele passou a produzir lentes com tal acuidade que permitiam aumentos de até 400 vezes. Com estas lentes começou a investigar o mundo que o cercava. Como não era um cientista, ele passou a comunicar suas descobertas através de cartas. Em 1674, escreveu para a Sociedade Real Inglesa que tinha ficado maravilhado ao descobrir em uma gotícula uma serie de “animálculos”. Ele descreveu com tal precisão o que tinha observado que hoje é possível identificar os microrganismos visualizados. No entanto, como não era da área da ciência, não deixou discípulos. Com a sua morte, a técnica de polimento das lentes foi perdida, e seu trabalho interrompido.

Figura 1.1. Foto de Antony Van Leeuvenhoek. FONTE: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/ Jan_Verkolje__Antonie_van_Leeuwenhoek.jpg. Acesso em: 19/01/2010.

14 Microbiologia

Após Leeuvenhoek, um novo impulso só foi dado na microbiologia com o desenvolvimento da indústria ótica na Alemanha com a produção de microscópios compostos.

O primeiro período áureo da microbiologia teve início no final do século XIX, com a derrubada da teoria da abiogênese, o estabelecimento dos processos de fermentação como produto da atividade de microrganismos, o estabelecimento da relação de microrganismos com as doenças e o desenvolvimento da microbiologia agrícola e ambiental.

A teoria da abiogênese teve origem junto com a humanidade.

Ela era, inclusive, defendida por grandes filósofos. Mas à medida que o conhecimento sobre biologia evoluía, ela ia paulatinamente sendo derrubada. O ponto final foi dado por Redi, em 1668, quando demonstrou que as larvas que surgiam na carne em putrefação eram um estágio da vida das moscas, e que as mesmas não surgiam na carne se a mesma estivesse devidamente protegida.

No entanto, com a descoberta dos microrganismos, esta teoria ressurgiu, pois preparados aparentemente isentos de microrganismos, em pouco tempo, apresentavam abundância dos mesmos. Logo, duas correntes de pensamento foram estabelecidas: a da biogênese e a da abiogênese, cada qual produzindo experimentos tentando provar sua teoria ou derrubar a outra. Os partidários da teoria da biogênese começaram com o conhecimento de que o calor matava os microrganismos, assim, meios de cultura submetidos à fervura por longos períodos, mostravam a ausência de microrganismos. Mas, com o passar do tempo, os microrganismos surgiam. Logo, eles podiam estar aparecendo de algum lugar e, o mais lógico, era do ar. Trataram então de aquecer o material em recipientes fechados e assim o mantinham estéril.

Os adeptos da teoria da abiogênese contra atacaram, argumentando que em ambientes fechados os microrganismos não teriam acesso ao oxigênio que era considerado, na época, essencial a todo o tipo de vida. Foi quando entrou em cena Louis Pasteur. Ele resolveu o problema utilizando um balão de vidro cujo pescoço fora esticado e encurvado na forma de um pescoço de cisne (figura 1.2A). O frasco, contendo no seu interior meio de cultura era, então, aquecido e

Teoria da abiogênese Hipótese que se baseava na crença de que os seres vivos poderiam ser originados a partir da matéria bruta.

15Introdução à Microbiologia fervido. Com esse procedimento, o meio de cultura ficava isento de microrganismos por longos períodos. Só surgiam microrganismos quando o gargalo era quebrado ou quando se fazia o líquido vir até a borda do pescoço e retornar para dentro do frasco (Figura 1.2B).

Na realidade, pode-se dizer que Pasteur teve muita sorte, pois, outro pesquisador, Tyndall, também realizava experimentos semelhantes, utilizando uma caixa selada. Quando ele passava através da caixa um raio de luz e verificava que não havia partículas em suspensão no ar, o meio de cultura permanecia estéril. Seu experimento foi repetido diversas vezes com sucesso. De repente, o meio começou a apresentar crescimento. Ao investigar o problema, ele descobriu que o que estava crescendo era um microrganismo que produzia endósporos, capazes de resistir a alguns minutos de fervura.

Outra participação de Pasteur foi no estabelecimento dos processos de fermentação. Pasteur era químico, e na sua época as fermentações eram consideradas reações químicas. Ao estudar este processo Pasteur descobriu que em boas produções de vinhos e cervejas, ocorria a presenças de microrganismos conhecidos, hoje, como leveduras. Sugeriu então que estas leveduras deveriam ser inoculadas nos mostos ou sucos de uva para a produção de um bom produto. Mas havia um problema: esses materiais já apresentavam uma microbiota oriunda do campo, da própria uva, dos processos de transporte e processamento. Como eliminar estes organismos, para introduzir somente os microrganismos desejáveis? O aquecimento eliminava os microrganismos, mas também alterava as características do produto. Foi quando Pasteur desenvolveu um procedimento conhecido por pasteurização. Este procedimento é utilizado até hoje na preservação de alimentos como sucos, cervejas, leites e ovos.

Outro pesquisador que teve participação destacada no desenvolvimento da microbiologia, notadamente na área médica, foi Robert Koch. Ele era um médico que vivia no interior da Alemanha e ganhou de presente de aniversário de sua esposa um microscópio com o qual começou a pesquisar o mundo microbiano. Ao investigar a morte de animais por uma doença conhecida por carbúnculo, verificou que nas lâminas preparadas com esfregaço

Figura 1.2. (A) Vidro com forma de um pescoço de cisne e (B) vidro com o gargalo quebrado mostrando o crescimento microbiano. FONTE: Modificado de: <http://w.ateus.net/ artigos/ciencias/imagens/ como_a_vida_comecou_1. gif>. Acesso em: 29/03/2010.

Pasteurização aquecimento do produto a baixas temperaturas, e por longos períodos, de forma a destruir os microrganismos indesejáveis sem alterar as características do produto.

16 Microbiologia do sangue encontrava um microrganismo em forma de bastão. Assim, ele começou então a relacionar a presença deste microrganismo ao desenvolvimento da doença.

Como provar isso? Parecia ser fácil. Bastava inocular este microrganismo em um animal sadio e ver se este desenvolvia a doença. Mas, para isso, era necessário obter esse organismo em cultura, em uma cultura contendo apenas esse microrganismo, ou seja, uma cultura pura. Foi necessário, então, o desenvolvimento de metodologia de isolamento, de cultivo de microrganismos e de identificação. A partir daí, Koch elaborou quatro postulados, conhecidos como Postulados de Koch, que são utilizados até hoje para relacionar doenças ao seu agente, ou seja: (1) o microrganismo deve estar presente em todos os casos da doença; (2) o microrganismo deve ser isolado em uma cultura pura; (3) ao ser inoculado em um organismo sadio e suscetível, esse deve desenvolver os sintomas da doença e, por ultimo, (4) o microrganismo deve ser obtido, novamente, em cultura pura. Com estes postulados, em questão de duas décadas (1880 a 1900), muitas doenças importantes para a espécie humana, incluindo a de outros animais e as de plantas, tiveram os seus agentes identificados. Isso abriu as portas para o controle das infecções, possibilitando a prevenção, o tratamento e a cura.

Pasteur participou, ainda, do entendimento do processo de imunização e desenvolvimento de vacinas. Certa vez, ao tentar demonstrar que havia identificado o agente causador de uma doença de aves, verificou que bactérias, quando submetidas ao cultivo continuado, podiam ficar atenuadas, ou seja, perdiam a capacidade de produzir a doença, mas não perdiam a capacidade de induzir a imunidade. Na demonstração, Pasteur inoculou um lote de galinhas com a bactéria isolada e outro lote permaneceu como testemunha. Para seu espanto, ambos os lotes permaneceram vivas. Avaliando o que poderia ter ocorrido, descobriu que a cultura utilizada no experimento era velha, ou seja, com vários dias de incubação. Ele resolveu, então, repetir o experimento inoculando um novo lote de galinhas e o lote que tinha sido inoculado anteriormente. Ao avaliar o experimento, verificou-se que as galinhas inoculadas com a cultura jovem haviam morrido. As que receberam a cultura jovem, mas que anteriormente haviam sido inoculadas com a cultura velha,

17Introdução à Microbiologia e as que não foram inoculadas, continuaram vivas. Desta forma, foi sugerido que a imunidade poderia ser obtida inoculando-se microrganismos atenuados e deu-se o nome dessa técnica de vacinação.

Enquanto a maioria dos microbiologistas da época estava preocupada com as questões de patogenicidade, em descobrir quem provoca o que, alguns questionavam: se existem tantos microrganismos no ambiente, no solo, na água, na superfície de plantas e animais, qual é o papel destes microrganismos, o que eles fazem? Nessa indagação tiveram grande participação Winogradsky e Beijerinck. Eles demonstraram a importância dos microrganismos na ciclagem dos nutrientes e descobriram microrganismos quimiolitotróficos e fixadores de nitrogênio.

Nas décadas de 40 e 50, iniciou-se o segundo período áureo da microbiologia. Os microrganismos são utilizados como modelos, como ferramentas, na síntese de compostos orgânicos e no desenvolvimento da genética e tecnologia de DNA recombinante. Esses conhecimentos vieram a culminar com o desenvolvimento da biotecnologia, ou seja, com o uso de organismos ou partes destes na obtenção de produtos e serviços.

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