Microbiologia do Solo, da Água, do Ar e dos Alimentos

Daremos início a esta unidade estudando sobre a microbiologia do solo. Caro(a) aluno(a), o solo representa um dos principais ecossistemas microbianos, sendo que a diversidade e abundância dos micro-organismos presentes são influenciadas pela sua estrutura física, composição e disponibilidade de nutrientes, além da temperatura e alguns outros fatores físico-químicos. “O termo solo refere-se ao material externo e frouxo da superfície da Terra, uma camada distinta do leito rochoso subterrâneo” (MADIGAN et al., 2010, p. 682).

O desenvolvimento do solo ocorre por meio de interações complexas entre materiais como rochas e areia, com a topografia e o clima de determinada região, além dos organismos vivos presentes nesse local, em um processo que dura longos períodos de tempo. Dependendo da sua origem, os solos podem ser divididos em minerais e orgânicos. Os solos minerais (que correspondem à maioria dos solos) são aqueles que derivam de atividades climáticas sobre as rochas e outros materiais inorgânicos. Os solos orgânicos são aqueles que se originam pela sedimentação em pântanos e brejos. A seguir, estudaremos a composição e o processo de formação do solo, bem como sobre os micro-organismos e suas funções.

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Composição do solo

Existem pelo menos quatro componentes principais no solo: matéria mineral inorgânica, que corresponde a cerca de 45% do volume total do solo; matéria orgânica, que corresponde a cerca de 5% do volume do solo, incluindo os organismos vivos, tanto macro quanto microscópicos; ar e água, que representam cerca de 50% do volume total do solo. Além disso, o solo apresenta partículas diversas, que são classificadas de acordo com o seu tamanho. As partículas com diâmetro de 0,1 a 2 mm (milímetros) são chamadas de areia; as partículas com diâmetro de 0,002 a 0,1 mm correspondem ao silte; enquanto as partículas com diâmetro menor que 0,002 mm são chamadas de argila (MADIGAN et al., 2010).

De acordo com a quantidade e concentração de areia, silte e argila, o solo apresenta diferentes classes de textura, podendo ser chamado de solo arenoso, siltoso, argiloso, silto-argiloso ou argila-arenosa. Quando não existe a predominância de um tipo específico de partícula, o solo é chamado de marga ou solo franco.

A combinação de processos físicos, químicos e biológicos leva à formação do solo. Se você escolher aleatoriamente uma rocha qualquer e examiná-la, com certeza verificará a presença de algas, líquens ou musgos. Nas rochas secas, esses organismos estão dormentes e poderão voltar a crescer quando surgir a umidade. Como esses organismos são fototróficos (utilizam a luz como fonte de energia) e produzem material orgânico, eles possibilitam o crescimento de bactérias e fungos quimiorganotróficos (lembrando que esse grupo obtém energia a partir de compostos químicos orgânicos). Assim, à medida que a cobertura vegetal aumenta em determinado ambiente, aumentam as populações de quimiorganotróficos, provocando o desenvolvimento de comunidades.

A respiração dos organismos nessas comunidades produz dióxido de carbono (CO2) e, ao se dissolver na água, o CO2 forma o ácido carbônico (H2CO3). Além de alguns outros ácidos orgânicos produzidos pelos quimiorganotróficos, o ácido carbônico provoca uma lenta dissolução das rochas, produzindo as partículas menores (MADIGAN et al., 2010).

Caro(a) aluno(a), os seres vivos representam os fatores bióticos envolvidos na formação do solo. Além deles, existem também os fatores abióticos, “não vivos”, como: temperatura e umidade, que auxiliam nesse processo por causarem fendas nas rochas, como o congelamento e o degelo.

Com a combinação de partículas e matéria orgânica, ocorre a formação de um solo bruto nessas rachaduras, permitindo o desenvolvimento de plantas chamadas de pioneiras. Com o crescimento dessas plantas, suas raízes penetram nas fendas ou rachaduras, promovendo uma fragmentação ainda maior da rocha. Essas raízes ainda promovem o desenvolvimento de vários micro-organismos na rizosfera, devido às suas excreções (exsudatos).

A rizosfera consiste em uma região imediatamente externa à raiz, ou seja, é o solo que circunda as raízes, e é uma área de intensa atividade microbiana. Dentre as excreções produzidas pelas raízes estão açúcares, aminoácidos, hormônios e vitaminas, que são aproveitados por bactérias e fungos que formam microcolônias na superfície da raiz (MADIGAN et al., 2010).

Quando as plantas pioneiras morrem, elas acabam se transformando em nutrientes que possibilitam o desenvolvimento de novos micro-organismos. Assim, ocorre a solubilização dos minerais contidos nessas plantas e, conforme a água é percolada, ou seja, flui por meio do solo, essas substâncias vão sendo levadas para regiões mais profundas.

Conforme esses eventos se sucedem em um ambiente, o solo se torna mais profundo, de maneira que permite o desenvolvimento de plantas maiores e pequenas árvores. Além disso, também ocorre o estabelecimento dos animais do solo, que promovem a mistura e aeração das camadas superficiais. O movimento de compostos por meio do solo, que vai das regiões mais superficiais para as mais profundas, forma camadas no solo, que são chamadas de perfis de solo (MADIGAN et al., 2010). Nesses perfis, os cientistas de solo determinaram as zonas ou horizontes do solo. Observe na Figura 3.1 as características principais de cada uma dessas zonas.

Horizonte O: camada mais superficial, composta por matéria vegetal não decomposta.

Horizonte A: corresponde ao solo superficial, que apresenta alto teor de matéria orgânica, coloração mais escura, próprio para a agricultura. Nesta camada crescem plantas e um grande número de micro-organismos,

Horizonte B: corresponde ao subsolo, uma região onde acumulam-se minerais, húmus, dentre outros compostos, lixiviados da superfície do solo. Nessa camada existe pouca matéria orgânica, porém, existe ainda alguma atividade microbiana.

Horizonte C: consiste na base do solo. Essa camada desenvolve-se diretamente a partir do leito rochoso subjacente e a atividade microbiana já é muito baixa.

Geralmente, é no interior da rizosfera que ocorre um crescimento microbiano mais intenso. A maioria dos micro-organismos encontra-se formando microcolônias aderidas às superfícies das partículas de solo, enquanto poucos micro-organismos são encontrados livres na solução de solo. Ainda que você considere uma pequena porção de solo, essa porção pode conter diversos microambientes diferentes, o que permite o crescimento de vários grupos diferentes de micro-organismos (MADIGAN et al., 2010).

A água é um dos principais fatores que influenciam na atividade microbiana. No solo, ela é um componente bastante variável, pois o teor de água do solo depende das chuvas, da cobertura vegetal, dos componentes do solo e da drenagem, uma vez que algumas partículas retêm mais água que outras. Por exemplo, os solos arenosos são bastante permeáveis, enquanto solos argilosos são menos permeáveis.

A retenção de água no solo pode ocorrer por adsorção (a água se adere e é retida na superfície das partículas) ou pela formação de lâminas de água entre as partículas do solo. Como a água presente no solo possui compostos dissolvidos, o termo solução de solo é utilizado para se referir a essa mistura.  

A água presente no solo influencia o teor de oxigênio. Em solos bem drenados, o ar consegue penetrar facilmente, de maneira que a concentração de oxigênio da solução de solo se torne alta. Já nos solos com água estagnada, o único oxigênio presente é o que está dissolvido na água, e rapidamente pode ser utilizado pelos micro-organismos. Nesse último caso, os solos se tornam anóxicos, provocando alterações marcantes em suas propriedades biológicas (MADIGAN et al., 2010).

Além da água e do oxigênio, a disponibilidade de recursos (nutrientes) é outro fator importante que afeta a microbiota no solo. As camadas superficiais e ricas em matéria orgânica, especialmente a rizosfera, apresentam maior atividade microbiana. A presença ou ausência, assim como os níveis de concentração dos nutrientes, determina quais micro-organismos podem crescer e suas atividades. Geralmente, os nutrientes limitantes nos solos são nutrientes inorgânicos, como o fósforo e o nitrogênio, que são fundamentais na síntese de diversas moléculas (como o ATP e as proteínas, respectivamente). A temperatura e o pH também representam fatores determinantes para a composição microbiológica do solo.

Existem determinadas práticas que podem causar a introdução de um grande número de micro-organismos no solo, como, por exemplo, a aplicação de adubos (estercos) ou dejetos de esgoto. Da mesma forma, eventos como a ocorrência de enchentes e as tempestades de poeira podem introduzir ou remover micro-organismos do solo. A interação entre espécies microbianas também pode afetar a população microbiana presente no solo. Como exemplo, podemos citar alguns protozoários predatórios e actinomicetos que produzem antibióticos, afetando grupos bacterianos (PELCZAR et al., 2011).

Ainda que o maior número de micro-organismos se concentre nas zonas mais superficiais do solo, a região chamada de subsuperfície profunda, que pode se estender por centenas de metros abaixo da superfície, não é um deserto do ponto de vista biológico. Existe uma variedade de micro-organismos que vive nessa região, a maioria procariotos, tanto bactérias quanto arqueas, sendo que a atividade metabólica desses organismos é bastante reduzida.

Por muito tempo, acreditou-se que a microbiota da subsuperfície profunda não apresentavam importância biogeoquímica relevante. No entanto, hoje, já se sabe que as atividades conjuntas desses micro-organismos são provavelmente responsáveis pela mineralização de grandes quantidades de compostos orgânicos e pela liberação de metabólitos nas águas subterrâneas (MADIGAN et al., 2010).

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Bactérias

A maior parte dos micro-organismos presentes no solo corresponde a bactérias, e acredita-se que existam muitas espécies de bactérias do solo que ainda não foram isoladas e identificadas. A maioria dessas bactérias é heterotrófica, ou seja, são organismos incapazes de utilizar o dióxido de carbono como sua única fonte de carbono, exigindo um ou mais compostos orgânicos.

Dentre as espécies mais comuns, estão aquelas pertencentes aos gêneros Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter e Nitrobacter, sendo bastante comum a ocorrência de bacilos esporulados. Bacilos são bactérias que possuem forma de bastão e esporulados descreve que eles estão em uma fase onde o metabolismo é praticamente nulo: os esporos podem sobreviver em ambientes sem os nutrientes necessários, por longos períodos de tempo, até que o ambiente volte a se tornar favorável (PELCZAR et al., 2011).

Nos solos mais quentes e secos, encontra-se normalmente um grande número de bactérias actinomicetos (aquelas bactérias gram-positivas que formam filamentos ramificados), principalmente, dos gêneros Nocardia, Streptomyces e Micromonospora. É a presença dessas bactérias que provoca aquele odor característico de mofo e de terra em um campo que foi arado recentemente. Essas bactérias actinomicetos são essenciais para o melhoramento da fertilidade do solo, pois são capazes de degradar diversas substâncias complexas. Além disso, podem produzir antibióticos que parecem estar presentes e ativos nas áreas imediatamente próximas às células bacterianas (PELCZAR et al., 2011).

Outro grupo de bactérias presente no solo é o das cianobactérias, formado pelas bactérias fotossintéticas produtoras de oxigênio. Por crescerem na superfície das rochas, onde suas células se acumulam como depósitos orgânicos, elas permitem o crescimento de outras bactérias e fungos. O metabolismo de todos esses micro-organismos acumulados nas rochas produz ácidos que provocam a dissolução dos minerais da rocha. Junto com esse processo, a matéria orgânica vai se acumulando, gradualmente, até que surgem as condições adequadas que permitem o crescimento de outras formas de vida: líquens, seguidos de musgos, e, finalmente, plantas superiores. Por essa razão, as cianobactérias são as principais responsáveis pelos processos de transformação das rochas para solo, além de auxiliarem no fornecimento de nitrogênio para algumas plantações (PELCZAR et al., 2011).

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Fungos

Existem centenas de diferentes espécies de fungos vivendo no solo, e a maioria delas habita as regiões mais próximas à superfície, onde há oxigênio presente. As espécies de fungos mais encontradas no solo pertencem aos gêneros Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Cladosporium, Aspergillus e Trichoderma. Assim como para os demais micro-organismos, as condições físicas e químicas de cada solo são os fatores que determinam quais espécies de fungos poderão crescer em cada local. O pH do solo é um dos principais fatores, sendo que valores de pH em torno de 4,7 são ideais para o crescimento da maior parte das espécies (PELCZAR et al., 2011).

No solo, os fungos desempenham papéis importantes na decomposição de constituintes orgânicos complexos de tecidos vegetais, como a celulose, a lignina e a pectina. Além disso, a estrutura física do solo é melhorada por meio do acúmulo dos micélios desses fungos: o micélio penetra no solo e forma uma rede que envolve as partículas que compõem o solo (PELCZAR et al., 2011).

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Algas

Em menor quantidade do que as bactérias e fungos, as algas também compõem a microbiota que habita o solo. Geralmente, as principais algas presentes no solo são as algas verdes e as diatomáceas, e estão localizadas em regiões mais próximas da superfície do solo, uma vez que necessitam da luz solar para realizarem a fotossíntese.

Em solos férteis e ricos, as atividades bioquímicas das algas não são tão importantes quanto a das bactérias e fungos, no entanto, em solos improdutivos e com erosão, são as algas que propiciam o acúmulo de matéria orgânica, pois são organismos fotoautotróficos. Quando associadas a fungos, as algas (fungos + algas = liquens) auxiliam também na transformação de material rochoso no solo (PELCZAR et al., 2011).

O estudo dos micro-organismos e das suas atividades em águas naturais, como lagos, lagoas, córregos, rios, estuários e oceanos é denominado microbiologia aquática. Assim como o solo, a água pode servir como hábitat para diversos micro-organismos. As águas naturais podem ser habitat de água doce, como lagos, açudes, nascentes, pântanos e rios; hábitat marinho, no caso dos oceanos, que representam o maior dos hábitats aquáticos; ou ainda hábitat de estuários, que é a região compreendida entre as fontes de água doce e oceano. Caro(a) aluno(a), um estuário consiste numa extensão das águas costeiras, que é semifechada pois possui uma conexão livre com o mar aberto (PELCZAR et al., 2011).

Na Terra, ocorre uma circulação de água entre a terra e a atmosfera, chamada de ciclo hidrológico. Neste ciclo, as águas naturais são classificadas em três categorias:

-      Água de lençol freático: é a água subterrânea, que encontra-se tanto entre os poros quanto entre os espaços presentes nos materiais rochosos que formam o solo.

-      Água superficial: é a água que forma os corpos de água na superfícies da Terra: oceanos, rios, lagos.

-      Água atmosférica: é a água que evapora da superfície da Terra formando as nuvens, e que depois retorna à superfície na forma de chuva, neve ou granizo.

As condições ambientais variam de um extremo a outro em ambientes aquáticos. Por esse motivo, antes de você aprender mais sobre os micro-organismos que habitam os ambientes aquáticos, vamos conhecer algumas características a respeito de alguns fatores que interferem nos tipos de micro-organismos encontrados em cada ambiente: temperatura, pressão hidrostática, luminosidade, salinidade, turvação, pH e nutrientes.

Temperatura - Nas águas superficiais, a temperatura da água pode variar de 0 °C (nas regiões polares) a 40 °C (nas regiões próximas à linha do Equador). Abaixo da superfície, praticamente, todo o ambiente marinho está abaixo de 5 °C. Na Unidade II deste material, você estudou sobre os grupos de micro-organismos segundo as suas temperaturas ótimas, lembra? Então, esse ambiente apresenta uma condição favorável para o crescimento dos psicrófilos, aqueles micro-organismos que crescem em condições de baixa temperatura. Além disso, você conheceu o grupo dos termófilos e hipertermófilos, que preferem um ambiente mais quente.

Algumas bactérias termófilas foram encontradas em sedimentos em condições anaeróbias, próximas a fendas no fundo do oceano (PELCZAR et al., 2011). Próximo a ilha de Vulcano, na Itália, isolaram a arqueobactéria Pyrodictium occultum de uma fenda na qual a água flui com uma temperatura de 103 °C! Veja bem, acima do ponto de ebulição da água. A figura 3.2 mostra as diferentes velocidades de crescimento de cada um dos grupos: psicrófilos, mesófilos, termófilos e hipertermófilos.

Pressão hidrostática - A pressão hidrostática corresponde à pressão do fundo de uma coluna vertical de água. Conforme a profundidade aumenta, a pressão hidrostática também aumenta, numa proporção de 1 atmosfera a cada 10 m. Imagine a pressão hidrostática nas regiões mais profundas do oceano, como junto ao fundo do mar. Para efeito de comparação, aqui na Terra, a pressão ao nível do mar é de 1 atmosfera. Assim, essa pressão hidrostática enorme em regiões profundas pode causar muitas alterações, que vão afetar os sistemas biológicos de diversas formas: mudança na velocidade das reações químicas, solubilidade de nutrientes e ponto de ebulição da água.

Os organismos que requerem alta pressão hidrostática são chamados de organismos barófilos, e algumas bactérias barófilas já foram encontradas em valas de profundidade de 1.000 a 10.000 m no Oceano Pacífico (PELCZAR et al., 2011).

Luminosidade - Vários organismos aquáticos dependem dos produtos metabólicos de organismos fotossintetizantes, tanto direta quanto indiretamente. Nos ambientes aquáticos, esses organismos fotossintéticos correspondem, principalmente, às algas e cianobactérias. Consequentemente, o crescimento destes micro-organismos é restrito à zona fótica: região da camada de água na qual a luz pode penetrar e ocorre fotossíntese. De acordo com a posição do sol, a estação do ano e a turbidez da água, o tamanho da zona fótica varia de 50 a 125 m de profundidade (PELCZAR et al., 2011).

Salinidade: a salinidade se refere à concentração do cloreto de sódio (NaCl). Em água doce, a salinidade pode ser de quase zero, variando até à saturação (32% de NaCl) em lagos salgados, como é o caso do Lago Salgado, em Utah. Na água do mar, a concentração de NaCl é de aproximadamente 2,75%, enquanto a concentração total de sal (que inclui NaCl e outros sais, como os sulfatos e os carbonatos de sódio e os cloretos, sulfatos e carbonatos de potássio, cálcio e magnésio) pode variar entre 3,3 e 3,7%. Nos estuários existe uma variação da concentração de sal entre a superfície e o fundo, entre as porções superior e inferior da foz e de estação para estação, de maneira que são criadas condições alteradas para as muitas formas de vida que habitam esses corpos de água. Os micro-organismos marinhos que crescem bem em concentrações de 2,5 a 4,0% de NaCl são chamados de halofílicos ou halófilos. Já os micro-organismos de lagos e rios não suportam concentrações de NaCl superiores a 1% (PELCZAR et al., 2011).

Dentre os halófilos, existe também uma classificação, segundo a concentração de sal que eles suportam: os halotolerantes ou halófilos facultativos são mais comuns, não necessitam de alta salinidade, mas podem suportar concentrações salinas de até 2%; os halófilos extremos ou obrigatórios são aqueles que necessitam dessa alta concentração de sais para o seu crescimento (por exemplo aqueles que vivem no mar Morto). Por favor, observe o gráfico da Figura 3.3, que mostra a taxa de crescimento dos micro-organismos, conforme a concentração de NaCl presente no ambiente.

Turvação: a limpidez das águas de superfície é um outro fator que varia bastante. Enquanto alguns corpos de água são claros, ainda que a grandes profundidades, outros são bastante turvos. Os materiais que causam a turvação da água incluem partículas de materiais minerais, que são geradas pela erosão da costa terrestre; detritos, que correspondem a partículas de matéria orgânica; e micro-organismos em suspensão. Quanto maior a turvação da água, menor será o tamanho da zona fótica, pois a penetração de luz será prejudicada; ocorre ainda uma diminuição dos organismos fotossintetizantes nesses ambientes. Por outro lado, o material particulado presente na água poderá servir de substrato para outros micro-organismos (PELCZAR et al., 2011).

pH - Para os micro-organismos aquáticos, o pH ideal está geralmente na faixa de 6,5 a 8,5. No ambiente marinho, o pH varia de 7,5 a 8,5, enquanto lagos e rios podem exibir uma variação maior de pH. Alguns micro-organismos já foram isolados de lagos salgados na África, onde o pH é de 11,5; e outros já foram encontrados em ambientes com pH 1 ou até menor. Esses micro-organismos que conseguem crescer em ambientes tão extremos são predominantemente membros do Domínio Archaea (PELCZAR et al., 2011).

A Figura 3.4 apresenta uma escala de pH de acordo com a preferência dos organismos: acidófilos (ambientes mais ácidos, menores valores de pH) e alcalifílicos (ambientes mais básicos, maiores valores de pH).

Nutrientes - O crescimento microbiano é fortemente influenciado pela quantidade e pelos tipos de materiais orgânicos e inorgânicos presentes no ambiente aquático, já que esses materiais servem como nutrientes para esses micro-organismos. Os elementos inorgânicos mais comuns são o nitrato e o fosfato, que promovem o crescimento de algas. Quando o nitrato e o fosfato estão presentes em quantidades excessivas nos corpos de água, eles podem provocar um crescimento maciço das algas, que acaba esgotando o fornecimento de oxigênio da água e sufoca todas as demais formas de vida aquática.

Geralmente, águas que recebem esgoto contendo compostos orgânicos e inorgânicos apresentam uma grande quantidade de nutrientes (também chamada de carga de nutrientes). Além disso, esgotos industriais lançados na água podem carregar diversas substâncias antimicrobianas, como mercúrio e outros metais pesados. Essas substâncias podem influenciar nas populações microbianas, eliminando as populações sensíveis e permitindo o crescimento de formas resistentes (PELCZAR et al., 2011).

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Micro-organismos Aquáticos

Caro(a) aluno(a), conforme estudamos no tópico anterior, quando o número de micro-organismos em um corpo de água é alto, temos indicações de que o nível de nutrientes na água também é alto. Por exemplo, águas contaminadas pelo sistema de esgoto apresentam um alto número de bactérias, e estuários oceânicos (que são alimentados por rios) apresentam altos níveis de nutrientes e, por isso maior número de micro-organismos, em relação a outras águas costeiras.

Em ambientes aquáticos com baixa concentração de nutrientes, os micro-organismos costumam crescer em superfícies paradas e em partículas, para que tenha contato com mais nutrientes do que ele teria se estivesse suspenso e flutuando livre e aleatoriamente pela corrente. As bactérias que vivem na água normalmente têm estruturas como apêndices e ganchos, que servem para prendê-las a uma superfície (TORTORA et al., 2017).

Caro (a) aluno (a), observe na Figura 3.5 a fotografia de uma bactéria membro do gênero Caulobacter, que geralmente é encontrada em ambientes aquáticos com baixa concentração de nutrientes, como os lagos por exemplo. Note que essa bactéria está em processo de divisão. Abaixo e à esquerda, observa-se a célula bacteriana com um pedúnculo, cuja função é fixar a bactéria a uma superfície. À direita, observa-se que uma célula flagelada está sendo formada. Essa célula flagelada é móvel e, ao encontrar uma nova superfície, o flagelo é perdido e dá lugar ao pedúnculo.

O conjunto de micro-organismos que vive flutuando e movimentando-se na região superficial de pântanos, lagos e oceanos é chamado de plâncton. Quando essa população é composta primariamente por algas e cianobactérias, recebe o nome de fitoplâncton; quando ela é formada predominantemente por protozoários e outros seres vivos microscópicos, é denominada de zooplâncton (PELCZAR et al., 2011).

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Micro-organismos de Água Doce

Em um corpo de água doce, existem várias zonas, e diferentes tipos de micro-organismos são encontrados em cada uma dessas áreas. Vamos utilizar como exemplo uma lagoa ou um lago típico. A zona litorânea se estende ao longo da costa, possui uma vegetação enraizada e é uma zona na qual a luz penetra. A zona limnética corresponde à superfície de uma área de água aberta, e que está longe da costa. A zona profunda, por sua vez, está localizada abaixo da zona limnética. Finalmente, a zona bêntica é área do fundo, que contém o sedimento (TORTORA et al., 2017). A zona bêntica é a região de maior riqueza e abundância de espécies de micro-organismos nos sistemas aquáticos, sendo que esses micro-organismos que habitam o fundo de um corpo de água são chamados de organismos bênticos ou coletivamente chamados de bentos (PELCZAR et al., 2011).

Anteriormente, listamos os fatores que influenciam as populações microbianas nos ambientes aquáticos. Dentre os fatores que você leu, a luminosidade é o mais importante para os micro-organismos de água doce, pois ela é requerida pelas algas fotossintéticas, que são a principal fonte de matéria orgânica e, assim, fonte de energia para o lago.

Nos ambientes aquáticos, as algas são os produtores primários, são elas que sustentam todas as outras populações que vivem nesse ambiente, desde bactérias e protozoários até peixes e outros animais aquáticos. É na zona limnética que se localizam as algas fotossintéticas. O oxigênio é um outro recurso fundamental para os micro-organismos, e ele não se difunde muito bem na água. Quando há micro-organismos crescendo em água estagnada, eles utilizam o oxigênio que está dissolvido na água. Quando não há oxigênio na água, os peixes morrem, e a atividade metabólica de micro-organismos anaeróbicos produz odores (TORTORA et al., 2017).

Movimentos como a ação das ondas e as correntes de água dos rios promovem um aumento na quantidade de oxigênio na água, auxiliando no crescimento das populações de bactérias aeróbias e melhorando a qualidade da água. Em águas mais profundas, nas zonas bênticas, as concentrações de oxigênio são mais baixas e há menos luz. As algas que crescem mais próximas da superfície acabam criando uma espécie de barreira, que filtra a luz; isso explica porque os micro-organismos fotossintéticos que vivem em zonas mais profundas utilizam diferentes comprimentos de onda de luz em relação aos que vivem na superfície (TORTORA et al., 2017).

Na zona profunda, localizada entre a zona limnética e a zona bêntica, vivem as bactérias sulfurosas púrpuras e verdes, que são anaeróbias e fotossintéticas, e metabolizam o H\(_2\)S (ácido sulfúrico) em enxofre e sulfato nos sedimentos do fundo da zona bêntica. Nesses sedimentos também são encontradas bactérias anaeróbias como o Desulfovibrio, que utilizam o sulfato (SO42-) como aceptor de elétrons e o reduz a H2S, bactérias produtoras de metano e do gênero Clostridium (que podem causar botulismo em aves aquáticas) (TORTORA et al. 2017).

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Micro-organismos Marinhos

Quanto mais se conhece a respeito da vida microbiana dos oceanos, mais descobrimos sobre a importância dos micro-organismos marinhos. Nos sedimentos do fundo dos oceanos (também conhecido como soalho oceânico) são encontradas grandes populações microbianas. Na sua maioria são arqueias, pois conseguem se adaptar bem às pressões do ambiente e possuem necessidades energéticas mais baixas. A estimativa atual é de que cerca de um terço de toda a vida no planeta seja composto por micro-organismos que vivem sob o assoalho oceânico. O metabolismo desses micro-organismos libera grandes quantidades de gás metano, que podem causar danos caso venham a ser liberados na atmosfera. Já a parte mais superficial e iluminada dos oceanos é dominada por cianobactérias fotossintéticas, principalmente dos gêneros Synechococcus e Prochlorococcus. Para você ter uma ideia, a quantidade dessas bactérias é tão grande que uma única gota de água do mar pode conter 20 mil células de Prochlorococcus! As populações de diferentes linhagens dessas cianobactérias variam conforme a profundidade e as adaptações para a luz solar disponível, e os 100 metros superiores dos oceanos estão preenchidos por esses micro-organismos, que influenciam consideravelmente a vida na terra (TORTORA et al., 2017).

Esses micro-organismos fotossintéticos compõem o fitoplâncton marinho, e oferecem suporte para as demais formas de vida. Assim como as algas e cianobactérias nos ambientes de água doce, as cianobactérias formam a base da cadeia alimentar no ambiente marinho. O número de cianobactérias dobra em poucos dias e é consumido na mesma taxa por predadores microscópicos. Uma cianobactéria marinha do gênero Trichodesmium consegue fixar nitrogênio, auxiliando os organismos que vivem no fundo oceânico a repor nitrogênio. Já as grandes populações da bactéria Pelagibacter ubique são responsáveis por metabolizar os produtos residuais das populações fotossintéticas.

Nas águas abaixo dos 100 primeiros metros nos oceanos, são as arqueias que passam a dominar a vida microbiana. No gênero Crenarchaeota, por exemplo, estão diversas espécies que fazem parte do plâncton e correspondem à uma grande parte da microbiota nos oceanos. . Esse micro-organismos são bem adaptados às baixas temperaturas e baixos níveis de oxigênio, que caracterizam o ambiente do fundo oceânico, e obtêm o carbono a partir do CO2 (dióxido de carbono) dissolvido na água (TORTORA et al., 2017).

Uma característica interessante de alguns micro-organismos que vivem no fundo do mar é a bioluminescência microbiana, que é a emissão de luz por micro-organismos. Existem diversas bactérias que são luminescentes e algumas delas estabelecem relações simbióticas com os peixes que vivem na zona bêntica. Nessa relação, as bactérias vivem nos peixes, formando um tipo de “órgão de luz”, brilhante, que os peixes utilizam para atrair presas no ambiente escuro das profundezas do oceano. Essa bioluminescência é possível graças a ação de uma enzima chamada luciferase. A luciferase capta elétrons das flavoproteínas na cadeia de transporte de elétrons, e usa uma parte da energia dos elétrons como um fóton de luz (TORTORA et al., 2017).

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Papel dos micro-organismos na qualidade da água

Na natureza, dificilmente, você encontrará água totalmente pura. Até mesmo a água da chuva se contamina à medida que ela cai na superfície da Terra. Essa contaminação pode se dar por fatores químicos ou microbiológicos. Os fatores químicos são, geralmente, produtos e resíduos de indústrias e de atividades agrícolas, que acabam sendo levados para os corpos de água pela ação das chuvas.

A microbiota aquática e as demais formas de vida sofrem inúmeras consequências devido a essa contaminação, e o homem, ao consumir a água ou se alimentar de peixes e outros frutos do mar, também pode ser contaminado. As águas das regiões rurais costumam apresentar excesso de nitrato proveniente de fertilizantes agrícolas. Quando o homem ingere o nitrato, ele é convertido em nitrito por bactérias no trato gastrointestinal, e o nitrito compete por oxigênio no sangue, sendo prejudicial à saúde. Alguns detergentes, ainda que biodegradáveis, também ocasionam problemas quando chegam aos ambientes aquáticos; muitos deles contêm fosfatos e podem levar a um desequilíbrio no crescimento de algas e cianobactérias (eutrofização).

Outra forma de poluição ocorre pelos fatores microbiológicos, é chamada de poluição microbiana. Como você aprendeu, no tópico anterior, a água é um ambiente rico em micro-organismos, que podem ser benéficos ou maléficos do ponto de vista humano. Enquanto micro-organismos alguns são fundamentais para a manutenção da vida no ambiente aquático, como as bactérias fotossintetizantes, outros podem causar doenças tanto às demais formas de vida no ambiente aquático quanto nos animais que se alimentam e utilizam a água, inclusive o homem. Além disso, a água também é um meio de disseminação de micro-organismos, que podemos exemplificar estudando um pouco sobre a transmissão de doenças infecciosas.

Caro(a) aluno(a), você já deve ter ouvido falar que a água proveniente de fontes e poços profundos tem melhor qualidade. Como essa água se move abaixo da superfície do solo, ela passa por um processo de filtração que remove a maioria dos micro-organismos. Quando dizemos que determinada água está contaminada, quase sempre essa contaminação ocorre pela entrada de fezes, substâncias tóxicas e metais pesados  nos sistemas de abastecimento da água. Existem muitas doenças que são transmitidas pela via oral-fecal, em que um micro-organismo patogênico é disseminado por fezes humanas ou de outros animais, contaminando a água que posteriormente será ingerida.

Essa forma de transmissão de doenças mostra números preocupantes: as estimativas mostram que as doenças transmissíveis por meio da água são responsáveis por mais de dois milhões de mortes por ano, no mundo todo; sendo que os mais atingidos são crianças menores de cinco anos. A febre tifóide e a cólera, causadas por bactérias transmissíveis somente por fezes humanas, são exemplos dessas doenças (TORTORA et al., 2017). Nas últimas décadas, com a melhoria das condições de saneamento básico e das práticas de higiene, a incidência dessas doenças tem diminuído bastante, principalmente, em nações mais desenvolvidas. Contudo, alguns outros países ainda passam por problemas graves relacionados à transmissão de doenças pela água.

Desde que o homem passou a se preocupar com a pureza da água, os maiores esforços se relacionaram à prevenção das doenças transmissíveis pela água, e assim foram desenvolvidos testes para determinar a segurança da água para o consumo. Atualmente, esses testes buscam detectar a presença de organismos indicadores específicos e não necessariamente dos patógenos.

Nestes testes, apenas uma amostra de água é examinada, e o simples fato de esta amostra não conter um patógeno, não significa que a água esteja segura para o consumo, pois podem haver patógenos em outras partes que não foram analisadas. Além disso, existe uma quantidade bastante grande de micro-organismos patogênicos, sem contar as espécies ainda desconhecidas, tornando inviável a realização de testes específicos para a detecção de cada patógeno.

Para ser considerado um organismo indicador, é necessário cumprir alguns critérios. O mais importante deles determina que, para ser considerado um indicador, um organismo deve estar efetivamente presente em fezes humanas, em números representativos, para que sua detecção seja uma indicação válida de que está ocorrendo a introdução de resíduos humanos na água. Outros critérios determinam que os organismos indicadores devem sobreviver na água da mesma maneira que os patógenos e devem ser detectados por meio de testes simples. Na Unidade II deste material nós abordamos a utilização de micro-organismos como indicadores da qualidade ambiental, e, portanto, falamos sobre uma classe de organismos indicadores, que são as bactérias coliformes.

Quando falamos em coliformes, nos referimos não apenas a bactérias entéricas, pois alguns coliformes são comumente encontrados em plantas e amostras de solo. Por essa razão, muitos testes e padrões para alimentos e água utilizam um termo mais específico: coliformes fecais (bactérias termorresistentes). A bactéria Escherichia coli é o coliforme fecal predominante, pois corresponde a uma grande proporção da população bacteriana intestinal humana. Sob condições normais, os coliformes não são patogênicos, embora algumas linhagens possam causar diarreia e infecções oportunistas do trato urinário (TORTORA et al., 2017).

Além dos métodos baseados na habilidade de as bactérias coliformes fermentarem lactose, existem outros testes para a determinação do número de bactérias em uma amostra. O método do número mais provável (MNP), que você pode consultar na Figura 3.6, é um deles. Essa técnica estatística se baseia no seguinte princípio: “quanto maior o número de bactérias em uma amostra, maior será o número de diluições necessárias para reduzir a densidade até um ponto no qual mais nenhuma bactéria esteja presente nos tubos de diluição seriada” (TORTORA et al., 2017, p. 169).

Esse é um método que fornece somente uma estimativa (com 95% de probabilidade), que indica que uma população bacteriana esteja em uma faixa determinada, na qual o MNP obtido é estatisticamente o número mais provável. Caro(a) aluno(a), por favor, observe com atenção a Figura 3.3, que representa um exemplo de aplicação do MNP.

A contagem de células totais em uma amostra também pode ser realizada utilizando um microscópio, por meio de um método denominado de contagem microscópica direta. Esse método consiste na utilização de lâminas de vidro que possuem uma grade quadriculada, chamada de grid, que forma diversos quadrados, cuja área e volume de amostra suportados são conhecidos. A amostra é colocada sobre essas lâminas, e visualizada em microscópio. A quantidade de bactérias presente em cada câmara de contagem é determinada, e, como a capacidade de cada câmara é conhecida, é possível determinar quantas células estão presentes por amostra e fazer a conversão para obter o número de células por mililitro de suspensão (Figura 3.7).

Esse método, no entanto, apresenta alguns pontos negativos, como: são contadas tanto as células vivas quanto as células mortas e não é adequado para soluções com baixa densidade de células, caracterizando-se como um método pouco preciso (MADIGAN et al., 2016).

O método de contagem de viáveis se apresenta como uma alternativa eficiente para a contagem exclusiva de células vivas com capacidade de se reproduzirem. Esse método é também chamado de contagem em placa ou contagem de colônias (porque cada célula viável é capaz de formar uma colônia).

Na Figura 3.8 podemos observar o método de contagem em placas, que consiste em realizar diluições seriadas e plaquear uma alíquota de cada diluição, ou seja, transferir uma pequena quantidade das diluições para uma placa com meio de cultura apropriado. Esse é um dos métodos mais utilizados em laboratórios, pois permite a visualização da formação de colônias a partir de um número de células vivas, auxiliando a quantificar os micro-organismos vivos presentes na amostra.

O método de contagem em placa pode ser realizado de duas formas: método de semeadura por espalhamento ou método de semeadura por profundidade (Figura 3.4B). A semeadura por espalhamento consiste em utilizar no máximo 0,1 ml da cultura previamente diluída e espalhar esse líquido sobre um meio de cultura sólido. Após o incubamento, as colônias que surgirem na placa são contadas. Já na semeadura por profundidade pode ser utilizado um volume maior da cultura previamente diluída - entre 0,1 e 1,0 ml - que será inoculado em uma placa de Petri estéril, a qual será adicionado o meio de cultura ainda líquido. O meio de cultura se solidifica sobre a amostra que foi inoculada (Figura 3.9).

O método de semeadura em profundidade exige que os micro-organismos presentes na cultura diluída suportem a temperatura de 45°C do meio de cultura líquido, do contrário, o próprio meio destrói os micro-organismos e os resultados não serão reais.

Um dos métodos mais utilizados na América do Norte e na Europa para determinar a presença e o número de bactérias termorresistentes é o método de filtração em membrana (Figura 3.10), que se caracteriza por ser um método mais direto. Esse método utiliza um aparelho de filtração com uma membrana filtrante removível, e as bactérias coletadas na superfície da membrana são transferidas para um meio adequado e incubadas. Após o crescimento, as colônias de coliformes exibem aparências distintas e podem ser contadas. O método de filtração deve ser aplicado para analisar águas com baixa turbidez, que não causam o entupimento do filtro, e que contenham relativamente poucas bactérias não coliformes, para evitar que os resultados sejam mascarados (TORTORA et al., 2017).

Além do MNP e a filtração, existe ainda um método mais novo e conveniente para detectar coliformes, principalmente, E. coli. Nesse método, utiliza-se um meio de cultura que contém os substratos o-nitrofenil-β-D-galactopiranosídeo (ONPG) e 4-metilumbeliferil-β-D-glicuronídeo (MUG). De maneira geral, os coliformes produzem uma enzima chamada β-galactosidase, que atua no ONPG produzindo coloração amarela, o que indica a sua presença na amostra.

A E. coli é a única bactéria dentre os coliformes que quase sempre produz uma outra enzima, a β-glicuronidase. Ao contrário da β-galactosidase, a β-glicuronidase atua no outro substrato, MUG, e forma um composto fluorescente que emite um brilho azul quando iluminado por luz UV de comprimento de onda longo. Esses testes podem ser utilizados para detectar a presença ou a ausência de coliformes e podem ser combinados com o MNP para quantificá-los (TORTORA et al., 2017).

Embora os coliformes sejam organismos indicadores muito úteis para a sanitização da água, conforme já esclarecemos anteriormente, existem algumas limitações. Por exemplo, algumas bactérias coliformes crescem formando biofilmes nas superfícies internas das tubulações de água, e, apesar de ocorrer a detecção desses coliformes nativos, isso não corresponde a uma contaminação externa fecal da água. No entanto, de acordo com as normas e padrões de água para consumo, qualquer amostra positiva deve ser relatada, resultando em ações e medidas desnecessárias.

Um outro problema, mais sério, é que alguns patógenos, como vírus, cistos e oocistos de protozoários, podem resistir aos processos de desinfecção química, ao contrário dos coliformes. Dessa forma, amostras quimicamente tratadas e desinfetadas, ainda que estejam livres de coliformes, podem estar contaminadas por esses patógenos resistentes. Para a eliminação completa de todos os micro-organismos, é necessário aliar métodos mecânicos, como a filtração, e métodos químicos, como a adição de cloro.

• Turbidimetria

A medida da turbidez é um método rápido e útil para fazer uma estimativa do número de células em uma amostra, pois uma solução contendo células possui um aspecto turvo (as células provocam a dispersão da luz que atravessa a solução). Dessa forma, quanto mais células estiverem presentes em uma amostra, mais turva será a solução. Observe a Figura 3.11, que apresenta dois tubos, em que se pode notar a diferença de turbidez entre as soluções.

As células dispersam a luz, e quanto mais células, mais turvo é o meio. Essa medição pode ser feita com um um espectrofotômetro. O esquema mostrado na Figura 3.11 mostra um desses equipamentos, no qual as amostras são colocadas, uma de cada vez. O aparelho emite uma luz que atravessa a amostra e, em seguida, faz uma leitura da quantidade de luz que atravessou a amostra. Quanto mais turva, mais a luz se dispersa, e é menor a leitura realizada pelo equipamento. O uso da turbidimetria exige a construção de uma curva padrão: Turbidez X quantidade de células.

Caro(a) aluno(a), agora vamos abordar a relação entre os micro-organismos e o ar. Você já aprendeu que o solo e a água são habitats microbianos, onde uma enorme quantidade de micro-organismos cresce e completa seus ciclos de vida. No ar, é diferente, pois o ar não representa um meio em que os micro-organismos possam crescer.

O ar é, na verdade, um portador de poeiras e partículas sólidas e líquidas que podem estar carregadas de micro-organismos, por isso, dizemos que a população microbiana do ar é transitória e variável. O ar pode transportar esses organismos por distâncias pequenas, como poucos centímetros, ou grandes, como muitos quilômetros (PELCZAR et al., 2011).

Dentre os micro-organismos transmitidos pelo ar existem aqueles que morrem em questão de segundos, enquanto outros podem sobreviver por semanas, meses ou até por vários anos. Tudo depende da natureza do micro-organismo, da sua capacidade de sobreviver em situações adversas e das condições ambientais. Por exemplo, uma bactéria formadora de esporos e um protozoário que forma cistos conseguiriam sobreviver no ar por períodos longos de tempo. Um conjunto bastante complexo de circunstâncias, como umidade, temperatura, quantidade de luz solar e tamanho das partículas nas quais se encontram, é o que determina qual será o destino final dos micro-organismos transportados pelo ar (PELCZAR et al., 2011).  

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Origem e tipo dos micro-organismos presentes no ar

Os micro-organismos que estão sendo transportados pelo ar são provenientes da superfície da terra (solo e água), principalmente. Ao atingir o solo, os ventos levantam a poeira e os micro-organismos são carregados junto com as partículas de pó. Já a água dos oceanos, lagos e outros corpos de água podem produzir gotículas de água contendo micro-organismos, geralmente, por meio da ruptura de bolhas de ar na superfície aquática, e essas gotas entram na atmosfera.

Na microcamada (a camada superficial da água, com 0,1 mm de profundidade) existe um número muito maior de micro-organismos do que nas camadas mais profundas, e, por isso, as gotículas que se originam da microcamada são as que mais contribuem para a formação da população microbiana na atmosfera (PELCZAR et al., 2011).

Alguns processos industriais e agrícolas também podem contribuir para a dispersão de micro-organismos na atmosfera, produzindo aerossóis. São exemplos de atividades antrópicas que lançam micro-organismos para o ar: a irrigação de lavouras e florestas com efluentes de esgotos, usando borrifadores; grandes operações de debulhamento; filtros gotejadores em instalações de despejo de esgotos; e abatedouros de animais (PELCZAR et al., 2011).  

Em relação aos tipos de micro-organismos presente no ar, já foram isolados algas, protozoários, leveduras, bolores e bactérias. Em um estudo, que analisou amostras de ar urbano, a maior proporção de micro-organismos correspondeu a esporos de bolores ou fungos (principalmente do gênero Cladosporium), seguidos de bactérias não actinomicetos (incluindo esporuladas, não esporuladas, bacilos e cocos Gram-positivos e bacilos Gram-negativos), depois leveduras, e, em menor proporção, as bactérias actinomicetos.

Essas amostras foram coletadas de uma área industrial durante vários meses. A ocorrência de micro-organismos também varia conforme a altitude, sendo que as bactérias e os esporos de bolores foram encontrados em altitudes mais elevadas (variando de 450 m a 4950 m de altitude). Os micro-organismos são disseminados pela turbulência do ar e levados a grandes distâncias pelas correntes de ar (PELCZAR et al. 2011).

Entre os vários micro-organismos presentes no ar, muitos deles podem ser patogênicos e podem ser transmitidos através de minúsculas gotículas e partículas de poeira, que são invisíveis a olho nu. Esses micro-organismos correspondem a bactérias, fungos ou vírus que, quando são inalados por indivíduos saudáveis, podem causar infecções. A origem desses micro-organismos pode se dar a partir de pessoas infectadas ou de fontes ambientais, como a água, o solo, ou um ambiente hospitalar contaminado. Ao inalar os micro-organismos patogênicos presentes no ar, as pessoas podem ser infectadas (PELCZAR et al., 2011).

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Análise microbiológica do ar

Para analisar os micro-organismos presentes no ar existe uma técnica bastante simples, que consiste na exposição ao ar, por um determinado período de tempo, uma placa de Petri contendo um meio sólido e nutritivo. Quando a placa é incubada (após a exposição ela é fechada e deixada em um ambiente com condições controladas), os micro-organismos que se sedimentaram na superfície do meio podem crescer e formar colônias. Além de simples, esse método acaba se tornando relativamente grosseiro, pois nem todos os micro-organismos presentes no ar conseguirão se desenvolver, de maneira que a técnica reflete apenas números aproximados, e não as condições exatas sobre as condições do ar em termos de micro-organismos (PELCZAR et al., 2011).

Para fornecer dados mais quantitativos em análises microbiológicas do ar, existem dois tipos de equipamento de laboratório que são coletores de ar: o aparelho de impacto sólido e o aparelho de impacto líquido. No aparelho de impacto sólido, existe uma placa de metal com fendas ou orifícios estreitos e, logo abaixo dessa placa, há um meio com ágar nutritivo; esse aparelho puxa uma corrente de ar rapidamente e, quando o ar passa em alta velocidade pela placa de metal, os micro-organismos colidem e aderem a superfície do ágar. Após a incubação do meio nutritivo, os micro-organismos formam colônias, que são contadas. No aparelho de impacto líquido, a única diferença é que no lugar do meio com ágar nutritivo, existe um meio de cultura em caldo ou líquido, que também retém os micro-organismos que são coletados junto com o ar; parte do líquido é colocado em placas ou cultivado para a determinação do conteúdo microbiano (PELCZAR et al., 2011).

A seguir, veremos as placas retiradas dos aparelhos de amostragem do ar, após o período de incubação.

Em alguns locais, como as indústrias farmacêuticas e de alimentos, a realização de análises microbiológicas do ar é conduzida de forma rotineira para o controle de qualidade, pois os micro-organismos presentes no ar podem facilmente contaminar os produtos. Esses locais precisam de um ambiente estéril em termos de micro-organismos. Para isso, utiliza-se tanto a primeira técnica que mencionamos, que consiste na sedimentação do ar nas placas de Petri, como também os equipamentos que promovem a sucção do ar para uma placa ou meio de cultura líquido.

Esses testes podem ser realizados de forma mais específica, onde o meio de cultura será preparado para determinado(s) micro-organismo(s), de maneira a demonstrar a sua presença ou ausência no ambiente, ou os testes podem ser mais abrangentes, para verificar quais grupos de micro-organismos estão presentes. Ao encontrar micro-organismos considerados indesejáveis, seja pela sua patogenicidade, poder de deterioração ou algum outro motivo, devem ser realizados os procedimentos necessários para eliminá-los do ambiente.

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Qualidade do ar

Normalmente, a qualidade do ar depende de um conjunto complexo de fatores, como as taxas de emissão de poluentes, a topografia local e as condições meteorológicas da região, que influenciam para uma maior ou menor dispersão dos poluentes na atmosfera (BRASIL, on-line).

No ano de 2005, a Organização Mundial de Saúde (OMS) publicou os padrões de qualidade do ar. Nesse documento, a OMS declara que esses padrões podem variar de acordo com a “abordagem adotada para balancear riscos à saúde, viabilidade técnica, considerações econômicas e vários outros fatores políticos e sociais, que por sua vez dependem, entre outras coisas, do nível de desenvolvimento e da capacidade nacional de gerenciar a qualidade do ar” (BRASIL, on-line). Ou seja, é uma orientação para que os países possam adequar esses padrões à realidade de cada região, desenvolvendo diferentes políticas de qualidade do ar de acordo com as características locais.

Aqui, no Brasil, esses padrões são determinados pela Resolução CONAMA nº 491/2018. O CONAMA é o nosso Conselho Nacional do Meio Ambiente, que foi instituído em 1981. De acordo com essa resolução,

o padrão de qualidade do ar é um dos instrumentos de gestão da qualidade do ar, determinado como valor de concentração de um poluente específico na atmosfera, associado a um intervalo de tempo de exposição, para que o meio ambiente e a saúde da população sejam preservados em relação aos riscos de danos causados pela poluição atmosférica (BRASIL, 2018, on-line).

Essa resolução, no entanto, não faz referência aos aspectos microbiológicos da qualidade do ar externo, ela regulamenta os seguintes parâmetros: “partículas totais em suspensão, fumaça, partículas inaláveis, dióxido de enxofre (SO\(_2\)), monóxido de carbono (CO), ozônio (O\(_3\)), dióxido de nitrogênio (NO\(_2\)) e chumbo (Pb)”. A resolução também determina padrões para episódios agudos de poluição do ar (PARANÁ, [2019], on-line). A preocupação maior dessa resolução é a poluição gerada pelas áreas industriais, que nós sabemos que pode causar diversos danos à saúde e ao meio ambiente.

A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), por meio da Resolução nº 09, de 16 de janeiro de 2003, determina e recomenda os Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados de uso público e coletivo. De acordo com essa resolução, no que diz respeito à contaminação microbiológica, o Valor Máximo Recomendável (VMR) para fungos é de 750 UFCm\(_{-3}\) (a sigla UFC significa Unidade Formadora de Colônia); e a relação I/E deve ser de 1,5 (onde I significa a quantidade de fungos no ambiente interno e E é a quantidade de fungos no ambiente externo). Quando o VMR ultrapassar o padrão recomendado, ou a relação I/E for maior do que 1,5, deve ser realizado um diagnóstico de fontes poluentes para que isso seja corrigido. Além disso, a presença de fungos patogênicos e toxigênicos é inaceitável (BRASIL, 2003).

Para finalizar essa unidade, vamos conhecer um outro aspecto da Microbiologia Ambiental, a Microbiologia dos alimentos. Neste tópico, inicialmente, abordaremos algumas aplicações dos micro-organismos na produção de alimentos e, em seguida, falaremos sobre os processos de deterioração dos alimentos.

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O papel dos micro-organismos na produção de alimentos

A fabricação de produtos como pães, vinhos, cervejas e queijos é um processo realizado pelo homem há tanto tempo, que fica difícil determinar exatamente quais são as origens históricas. Por muito tempo, o homem realizou processos com aplicações práticas de micro-organismos para obter comida e bebida, no entanto, a relação e o papel dos micro-organismos nesses processos eram desconhecidos.

Apenas no final do século XIX (próximo ao ano 1900), é que alguns micro-organismos envolvidos com a produção de alimentos foram cultivados em cultura pura pela primeira vez, possibilitando uma melhor compreensão sobre as relações entre micro-organismos específicos, seus produtos e atividade. Por essa razão, esse período é conhecido como o início da microbiologia industrial de alimentos (TORTORA et al., 2017).

Um exemplo de aplicação prática dessas descobertas envolve a produção de cerveja. Ao descobrir que, em uma certa condição, determinadas leveduras poderiam produzir cerveja e que determinadas bactérias poderiam deteriorar esta cerveja, os cervejeiros passaram a controlar com maior eficácia a qualidade desses produtos. Além disso, foi possível selecionar os organismos de acordo com suas especificidades e capacidades de produção, o que poderia tornar o produto ainda melhor. Toda essa aplicação impulsionou a pesquisa envolvendo os micro-organismos na produção de alimentos, de forma que hoje já se sabe que eles são essenciais na indústria alimentícia. A seguir, você vai ler sobre a utilização de micro-organismos na produção de queijos e outros produtos derivados do leite, bebidas alcoólicas e vinagre.

Queijo

Existem diversos tipos de queijo, porém, a fabricação de todos eles necessita da formação do coalho. O coalho é separado da parte líquida principal, o soro do leite. Esse coalho é composto de uma proteína chamada caseína, que, normalmente, é produzida pelas enzimas renina ou quimosina; as condições ácidas promovidas por bactérias produtoras de ácido láctico auxiliam na ação dessas enzimas.

Na segunda unidade deste livro, nós falamos sobre um processo chamado de fermentação, realizado por micro-organismos anaeróbios. Você se lembra? Dentre os produtos resultantes da fermentação, está o ácido láctico. Então, nesse caso, bactérias lácticas são inoculadas durante a fabricação e sua atividade resulta nos sabores e aromas característicos dos produtos, durante um processo chamado de maturação (TORTORA et al., 2017).

Com exceção de alguns queijos não curados, como a ricota e o queijo cottage, o coalho passa por um processo de maturação microbiana. A classificação dos queijos leva em conta a sua consistência, que é determinada por essa maturação. Quanto maior for a perda da umidade (a retirada do soro de leite), maior a compactação do coalho e mais firme é o queijo. Por exemplo, os queijos cheddar e suíço são maturados pelo crescimento anaeróbio das bactérias ácido lácticas em seu interior, ou seja, bactérias fermentadoras que produzem ácido lático. Com o aumento do tempo de incubação, aumenta a acidez e o sabor do queijo se torna mais acentuado (TORTORA et al., 2017).  Caro(a) aluno(a), observe na Figura 3.14, uma fotografia da produção do queijo cheddar.

Na produção do queijo cheddar, apresentada na figura anterior, inicialmente, o leite é coagulado e forma o coalho, por ação da renina. Depois, ele foi inoculado com bactérias de maturação, que conferem sabor e acidez ao produto. Na foto, o coalho está sendo cortado em pequenos cubos, o que facilita a drenagem do soro de leite.

Sabe aqueles furos que existem no queijo suíço? Eles são produzidos devido ao dióxido de carbono liberado por uma bactéria do gênero Propionibacterium (Figura 3.15). Já nos queijos semi-macios, como o Limburger, a maturação ocorre com a ação de bactérias e outros organismos contaminantes que crescem na superfície. O queijo azul e o Roquefort são maturados por fungos do gênero Penicillium inoculados no queijo. A textura do queijo Roquefort é macia o bastante para permitir que o oxigênio alcance os fungos aeróbios (ao contrário das bactérias fermentadoras, esses fungos precisam do oxigênio para crescer). As manchas azul-esverdeadas que nós vemos no queijo Roquefort correspondem aos fungos Penicillium. O Camembert é um queijo macio, curado em pequenos pacotes, para que a enzima do Penicillium, que cresce na superfície com a presença de oxigênio, possa difundir-se, permitindo a maturação.

Para a produção do queijo, como comentamos no início desse tópico, ocorre a incorporação de uma enzima chamada protease renina. Essa enzima é encontrada normalmente no estômago de bezerros, dos quais era extraída para a produção de derivados do leite. Com as atuais técnicas de manipulação genética, é possível produzir a renina em larga escala utilizando fungos. Em seguida, ocorre também a acidificação, que é realizada pelos micro-organismos ácido-láticos.

Esses processos causam a precipitação da caseína e a formação do coágulo. O coágulo é então separado do soro, recebe uma adição de sal e é prensado em formas, onde são armazenados em temperaturas de 6 a 8 °C, para que ocorra a maturação. A adição de outros tipos de micro-organismos para conferir características distintas de aroma e sabor, como você leu no parágrafo anterior, é chamada de colonização secundária (BRINQUES, 2015).

Outros produtos lácteos

Além dos queijos, outros produtos a base de leite também são produzidos graças a ação de micro-organismos. Para produzir a manteiga, a nata é batida até que os glóbulos de gordura sejam separados do leitelho. O leitelho é um líquido seroso, pobre em gorduras, que se origina após o processo de batedura da nata para produzir manteiga. Tanto a manteiga quanto o leitelho possuem um sabor e aroma típicos, conferido pelo diacetil, que é um composto produzido pela fermentação de algumas bactérias ácido lácticas e formado pela combinação de duas moléculas de ácido acético.

Atualmente, o leitelho é comercializado e bastante utilizado em receitas (principalmente nos EUA). Ele não representa mais um subproduto da fabricação da manteiga: é produzido pela inoculação do leite desnatado com bactérias que formam ácido láctico e diacetil (TORTORA et al., 2017).

A fabricação do iogurte também conta com a participação de micro-organismos. Utilizando uma panela a vácuo, cerca de um quarto da água presente no leite é evaporada, obtendo um leite espesso. Esse leite é inoculado com uma cultura mista de Streptococcus thermophilus (para produzir o ácido) e Lactobacillus delbrueckii bulgaricus (para conferir o sabor e aroma). Bebidas como o Kefir e kumiss, bastante populares na Europa Oriental, são bebidas à base de leite fermentado. Na sua fabricação, são utilizadas bactérias produtoras de ácido lático suplementadas com leveduras fermentadoras de lactose, para que as bebidas tenham um teor alcoólico de 1 a 2% (TORTORA et al., 2017).

Fermentações não lácteas

A fermentação também começou a ser utilizada para tornar certas plantas comestíveis. Os povos pré-colombianos das Américas Central e do Sul fermentavam as sementes de cacau antes do consumo, e são os produtos microbianos liberados nessa fermentação os responsáveis pelo sabor do chocolate.

A produção de pães também envolve a participação de micro-organismos, que fazem a fermentação dos açúcares na massa do pão. A Saccharomyces cerevisiae é a levedura utilizada para essa fermentação, e o dióxido de carbono é o responsável pelas bolhas típicas de pães fermentados. As condições aeróbias favorecem a produção de dióxido de carbono, por esse motivo a massa do pão é repetidamente amassada durante o preparo. Nesse processo ocorre também a produção de etanol, que, posteriormente, evapora durante o tempo em que o pão é assado. Nos pães de centeio ou de massa azeda, o típico sabor azedo é resultado do desenvolvimento de bactérias láticas (TORTORA et al., 2017).

S. cerevisiae é uma espécie que pode crescer facilmente tanto em condições aeróbias quanto anaeróbias, embora não possa crescer em condições anaeróbias indefinidamente. Ao longo do tempo, diversas linhagens de S. cerevisiae se desenvolveram e estão adaptadas a diversos processos fermentativos. Além do pão, a levedura S. cerevisiae também é empregada na fermentação de grãos para a produção de cerveja e para a fermentação vinho a partir de uvas. Alimentos conservados como chucrute, picles, azeitonas também utilizam a fermentação, assim como chocolate e café, em que os grãos são submetidos a uma etapa de fermentação (TORTORA et al., 2017).

Bebidas alcoólicas e vinagre

Praticamente todas as bebidas alcoólicas são produzidas com a utilização de micro-organismos. Como comentamos anteriormente, as cervejas são produzidas a partir da fermentação do amido de cereais realizada por leveduras. Normalmente, a fermentação da cerveja é um processo lento, realizado por linhagens de leveduras que ficam no fundo dos tanques. Essas leveduras não conseguem fermentar o amido diretamente e, por isso, o amido é primeiramente convertido em glicose e maltose, que serão fermentados pelas leveduras e produzirão etanol e dióxido de carbono. Essa conversão é chamada de maltagem, na qual os grãos contendo amido são colocados para germinar e depois são secos e moídos, resultando no malte. O malte possui amilases (enzimas que degradam amido) que convertem o amido dos cereais em carboidratos que podem ser fermentados pelas leveduras. Finalmente, a cerveja é diluída para atingir uma determinada porcentagem alcoólica (TORTORA et al., 2017).

O vinho é uma bebida consumida no mundo todo, produzido a partir de frutas, principalmente uvas. Os açúcares contidos nas uvas são utilizados diretamente pelas leveduras no processo de fermentação (o que significa que a maltagem é desnecessária para a produção do vinho). Por favor, caro(a) aluno(a), observe, na Figura 3.16, uma descrição das etapas para a fabricação do vinho.

Quando o vinho é produzido com uvas mais ácidas (devido a altas concentrações de ácido málico), as bactérias ácido-lácticas são muito importantes: elas convertem o ácido málico em ácido láctico, mais fraco, em um processo chamado de fermentação malolática. O resultado é um vinho menos ácido e com melhor sabor (TORTORA et al., 2017).

Para o vinho branco, a prensagem das uvas ocorre antes da fermentação, e, portanto, a cor não é extraída do material sólido.

Ao deixar o vinho exposto ao ar, produtores notaram que ele azedava devido ao crescimento de bactérias aeróbias. Essas bactérias convertem o etanol do vinho em ácido acético, transformando o vinho em vinagre. Hoje em dia, essa descoberta não intencional é utilizada para produzir o vinagre. Assim como acontece na cerveja, o etanol é inicialmente produzido pela fermentação anaeróbia de carboidratos pelas leveduras. No entanto, quando exposto a condições aeróbicas, as bactérias dos gêneros Acetobacter e Gluconobacter oxidam o etanol em ácido acético (TORTORA et al., 2017).

Na produção das bebidas alcoólicas destiladas, como o uísque e a vodca, também ocorre a fermentação de carboidratos, para a formação de álcool. No entanto, esse álcool é destilado para produzir bebidas alcoólicas concentradas. A destilação do álcool compreende um processo no qual ele é evaporado e depois condensado e recuperado, para obter álcool puro.

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Deterioração de alimentos e micro-organismos patogênicos

Vários dos métodos que utilizamos hoje para a preservação de alimentos foram descobertos ao acaso nos séculos passados, assim como a descoberta do vinagre pelos produtores de vinho. Foram nas primeiras culturas humanas que as pessoas passaram a observar que carnes secas resistiam à deterioração, que o leite azedo dos animais permanecia palatável e que, ao remover o líquido do coalho do leite azedo e deixá-lo maturar, ele seria preservado e o sabor se tornaria mais agradável. Da mesma forma, os fazendeiros entenderam que os grãos mantidos secos não iriam mofar como os grãos úmidos. Vários desses métodos são utilizados até os dias de hoje, não só para a preservação, mas, principalmente, porque apresentam sabor e aroma atrativos e característicos.

Assim como você estudou em relação a água, os alimentos também podem representar uma fonte de disseminação de micro-organismos patogênicos. Por esse motivo existem diversas normas e regulamentos que as indústrias alimentícias devem respeitar, assim como os restaurantes, lanchonetes e todos os estabelecimentos que produzam e/ou sirvam alimentos para o consumidor.

Os alimentos enlatados merecem uma atenção especial na fabricação, pois é necessário adequar a quantidade de calor necessária para destruir organismos deteriorantes e patogênicos, sem afetar a aparência e a palatabilidade do alimento. Existe uma preocupação principalmente com relação à bactéria Gram positiva Clostridium botulinum, que forma endósporos que podem resistir a altas temperaturas e causar o botulismo.

O botulismo

é uma doença neuroparalítica grave, não contagiosa, causada pela ação de uma potente toxina produzida pela bactéria Clostridium botulinum. É uma doença bacteriana rara, que entra no organismo por meio de machucados ou pela ingestão de alimentos contaminados, principalmente os enlatados e os que não têm preservação adequada. A doença pode levar à morte por paralisia da musculatura respiratória. Embora existam três formas de o botulismo ser diagnosticado, em todas elas as manifestações são neurológicas e/ou gastrointestinais (BRASIL, 2018, on-line).

Os produtos que são enlatados nas indústrias passam por um processo chamado de esterilização comercial, onde são submetidos ao vapor sob pressão. Essa esterilização acontece em uma grande retorta, cujos princípios são os mesmos de uma autoclave. Você já viu uma autoclave? Existem diversos modelos, os mais antigos e menores se assemelham a uma “panela de pressão” gigante, enquanto as autoclaves utilizadas em indústrias são bem maiores. A autoclave é um equipamento que promove uma esterilização por calor úmido, e é mais confiável que a fervura, uma vez que as altas temperaturas são mais comumente atingidas pelo vapor sob pressão. A figura a seguir mostra a fotografia de uma autoclave tradicional. A esterilização comercial realizada corretamente consegue destruir os endósporos de C. botulinum.

Normalmente, os endósporos de C. botulinum são os mais resistentes, e, se eles forem destruídos, significa que qualquer outra bactéria deteriorante ou patogênica também será destruída. Existem algumas bactérias termofílicas que formam endósporos ainda mais resistentes ao tratamento térmico do que os de C. botulinum, no entanto, elas são termófilas obrigatórias: vão permanecer dormentes em temperaturas abaixo de 45 °C, não representando um problema de deterioração considerando as temperaturas normais de armazenamento. Caso esses alimentos sejam por algum motivo expostos a altas temperaturas, esses endósporos encontrarão as condições adequadas para germinar e crescer, causando a deterioração termofílica anaeróbia. Esse tipo de deterioração é bastante comum em alimentos enlatados de baixa acidez. Como resultado, a lata pode estufar com o gás e ter o seu pH diminuído, além de apresentar um odor azedo (TORTORA et al., 2017).

As bactérias mesofílicas (que compreendem a maioria dos micro-organismos) também podem provocar a deterioração de alimentos enlatados caso a esterilização e/ou o processamento não tenham sido realizados de forma correta ou se houver vazamento nas latas. O que ocorre na prática é que os erros no processamento geralmente resultam em deterioração por bactérias formadoras de endósporos; enquanto a presença de bactérias não formadoras de endósporos indica que provavelmente as latas vazaram e foram contaminadas. A deterioração oriunda dessas situações pode produzir odores de putrefação, principalmente em alimentos com alto teor protéico, ocorre em temperaturas normais de armazenamento e apresenta a possibilidade de que a bactéria do botulismo esteja presente (TORTORA et al., 2017).

Para a preservação de alguns alimentos ácidos, como tomates ou conservas de frutas, basta um processamento com temperaturas de até 100 °C, uma vez que os únicos micro-organismos deteriorantes que conseguiriam crescer com toda essa acidez são facilmente mortos com essa temperatura. Esses micro-organismos são principalmente fungos filamentosos, leveduras e algumas bactérias. Apenas os micro-organismos que são resistentes tanto ao calor quanto à acidez podem causar alguns problemas ocasionais em alimentos ácidos.

Outra alternativa para a preservação dos alimentos, além dos enlatados submetidos ao calor, é o empacotamento asséptico. Os pacotes utilizados são geralmente fabricados com materiais que não suportam o tratamento térmico convencional (como o papel alumínio e o plástico). Esse material é colocado em um aparelho que promove a sua esterilização por meio de uma solução de peróxido de hidrogênio quente, acrescido ou não de luz ultravioleta (UV). Esses materiais são mantidos em ambiente estéril, onde são moldados dentro das devidas embalagens e, posteriormente, preenchidos pelos alimentos convencionalmente esterilizados pelo calor.

A radiação também é uma forma de preservar alimentos, pois ela é letal para os micro-organismos. As radiações chamadas de ionizantes são utilizadas desde o início do século 20 para melhorar a qualidade dos alimentos. Caro(a) aluno(a), as radiações ionizantes são aquelas que possuem um pequeno comprimento de onda, porém com alta energia, que provocam a ionização de átomos e moléculas; os raios X e Gama são exemplos de radiação ionizante. Os efeitos dessas radiações incluem a inibição da síntese de DNA, prevenindo a reprodução de qualquer organismo vivo. A radiação é medida em uma unidade chamada Grays, geralmente em termos de milhares de Grays, abreviado com kGy. As doses de radiação necessárias para destruir cada tipo de micro-organismo variam, por exemplo, para bactérias não formadoras de endósporos, utiliza-se de 0,5 a 10 kGy; para destruir endósporos bacterianos, recomenda-se uma dose de 10 a 50 kGy; já para vírus, a dose recomendada é de 10 a 200 kGy (TORTORA et al., 2017). Vários alimentos já são tratados com radiação, e se você quiser identificá-los em um supermercado, basta procurar na embalagem pelo símbolo que está representado na Figura 3.15.

Um dos métodos mais modernos para a preservação dos alimentos é o processamento de alta pressão, ou pascalização. Nesse processo, alimentos embalados, como frutas, carnes finas, tiras de frango pré-cozidas, são submergidos em tanques contendo água pressurizada. Nesses tanques, a pressão é muito grande e pode alcançar 87 mil libras por polegadas ao quadrado! Para você ter uma ideia, isso equivale a três elefantes em pé sobre uma moeda de dez centavos. Várias bactérias patogênicas como Salmonella, Listeria e linhagens patogênicas de E. coli, não resistem a essa pressão e são eliminadas. Além disso, esse processo preserva as cores e sabores dos alimentos e também mata micro-organismos que, apesar de não patogênicos, podem diminuir a vida útil do produto (TORTORA et al., 2017).