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Autor: Prof. Dr. Rogério Melloni - IRN/UNIFEIMaterial disponível para o projeto UNIFEI-OCWhttp://unifei-ocw.wikispaces.com/
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1
MICROBIOLOGIA DA ÁGUA
1. Microbiologia de efluentes - cinética
2. Eutrofização
3. Bioindicadores - coliformes
4. Cianotobactérias - cianotoxinas
5. Biofilmes2
EUTROFIZAÇÃO
3
INTRODUÇÃO
Água: componente de sustentação de vida na Terra
Preservação
Composição: gases, sais sólidos e íons ORGANISMOS
POLUIÇÃO Fitoplâncton - Baleias
4
POLUIÇÃO
Prejuízo de um ou mais de seus usos ------ HOMEM
Contaminação:
� agrícola: agrotóxicos + estercos + fertilizantes
� municipal: lixo, esgoto, produtos tóxicos (chorume)
� industrial: resíduos diversos
TÉRMICA
FÍSICA
BIOLÓGICA
QUÍMICA
2
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CONCEITOS
EUTROFIZAÇÃO: processo de fertilização em um sistema aquático pela aumento da concentração de elementos limitantes como P, N, C e, às vezes, K e Si.
EU (bom ,verdadeiro) + TROPHEIN (nutrir)
� Eutrófico x Mesotrófico x Oligotrófico
� Eutrophication (introduzido em 1956)
� Eutrofizar x Eutroficar ?
TIPOS DE EUTROFIZAÇÃO
NATURAL: envelhecimento natural (milhares de anos)
ARTIFICIAL (ANTROPOGÊNICA, CULTURAL): poluição
(causas somente na década de 60)6
FATORES RELACIONADOS À EUTROFIZAÇÃO
FATORES NATURAIS
Latitude (duração e incidência da luz, T água e ar)
Vento (mistura parcial da massa de água)
Precipitações (erosão-solo e escoamento-água)
Características da bacia (geologia-material de origem)
Declive da bacia
FATORES HUMANOS
Poluição proveniente de dejetos e outras atividades
FATORES ASSOCIADOS À PRÓPRIA MASSA DE ÁGUA
Taxa de renovação das águas
Sedimentos (C, N, P...)
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[P] da água acima de 0,02 mg kg-1 EUTROFIZAÇÃO
[P] na solução do solo para a planta: 0,1-0,3 mg kg-1
ORIGENS DE N e P
FONTES EXÓGENAS
Erosão, precipitação, lixiviação, resíduos, esgotos, etc.
NH4+, NO3
-, PO43-
FONTES ENDÓGENAS
Sedimentos (redissolução) - decomposição de algas e liberação de P devido à acidez gerada (redutor)
8
Pesquisa: combinações de nutrientes
3
9
O PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO: EXEMPLO COM O P
� Processos erosivos e enxurradas = P
� Multiplicação de algas na superfície
� Morte da vegetação submersa (luz) - hábitat
� Decomposição de algas da superfície
� Remoção de O2 da água (produtos tóxicos)
� Elevação da concentração de NH3 (tóxica)
� Morte de outros organismos aquáticos
** P dos sedimentos = problema de longa duração !
(liberação por processos anaeróbios - acidez)
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Luz solarP fertiliza as algas de
superfície
Penetração de luz é reduzida
Vegetação submersa éreduzida
Plantas morrem. Quando se decompõem, há
depleção de O2
Morte de animais
P dasuperfície
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PROBLEMAS NORMALMENTE OBSERVADOS
• Aumento dos custos de purificação
• Redução do valor de recreação
• Perda de animais
• Efeitos sub-letais de toxinas no homem
• Bloom de algas (cianobactérias) - toxidez
• Perda de hábitats
• Morte de peixes e outros organismos aquáticos
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NOTÍCIAS COMUNS
EUTROFIZAÇÃO MATA LAGOAS EM AÇORES
"São necessárias medidas drásticas, que vão atingir os agricultores e isso não dá votos".
Ceifeira + oxigenação ="pura cosmética"
Estudos recentes: reflorestamento, proibições, gado...
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NOTÍCIAS COMUNS
COMPROMETIMENTO DE RESERVATÓRIOS EM SP E PR
Reservatórios: PR e SP
De 19 (PR): 12 moderadamente degradados e 5 criticamente degradados a severamente poluídos
IMPACTO AMBIENTAL DOS PESQUE-PAGUE
Estudo: 42 em Mogi-guaçu (SP) - maioria familiar
Água de descarte em sistemas de irrigação
Educação ambiental!
POLUIÇÃO ORGÂNICA EM RIO GRANDE/RS
Esgotos domésticos clandestinos
Estação de captação: eutrofização acentuada14
PREVENÇÃO E CONTROLE
� Política de redução de aporte de nutrientes ($)
Remoção de nutrientes no tratamento de esgotosEUA: efluentes urbanos (< 1 mg L-1 de fosfato)
Como remover o excesso de P?1) Precipitação química: caro, grande vol. decantado
2) Remoção Biológica Avançada de Fosfato !!!- Microrganismos acumuladores de fosfato (polifosfato)
Tratamento de lodo ativado: condição aeróbia Se pH = 5,5-6,5
Remoção de 56 a 142% do fosfato (econômica ?)
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Presençadentro da célula
16
PREVENÇÃO E CONTROLE
3) Hidroponia: cultivo de plantas aquáticas
• Taboa (Typha)
• Aguapé (Eichhornia crassipes)
• Elevada absorção/remoção de nutrientes)• Rápido crescimento (até 5% ao dia)• Facilidade de retirada da água• Aproveitamento da biomassa• Raízes beneficiam microrganismos
agente purificador: FILTRO VERDE
5
17TaboaAguapé 18
19
Sistema de tratamento de rizofiltração ex situ
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VANTAGENS� Baixo custo� Reduzidos gastos energéticos� Reciclagem da biomassa produzida� Fertilizante, ração animal, geração de energia� Fabricação de papel� Extração de proteínas para fazer rações� Extração de subst. estimulantes do crescimento vegetal� Compostagem
DESVANTAGENS
� Criadouro de larvas de mosquitos e pernilongos� Absorção de metais ou substâncias tóxicas� Grande quantidade de biomassa gerada� Odores desagradáveis
6
21
AÇÕES DO DIA-A-DIA PARA EVITAR
• plantio de espécies nativas (baixa exigência nutricional)
• reciclagem de podas - redução de fertilizantes
• fertilização mínima (análise do solo)
• utilização de P de baixa solubilidade ou sem P
• compostagem e aplicação no solo
• utilização de detergentes e outros livres de P
• economia de água (ex.durante a irrigação)
• proteção do solo contra erosão (revegetação)
• coleta de estrume de animais de estimação
• lavagem de carro na grama e não na rua
• conscientização de vizinhos e reuniões...22
CONSIDERAÇÕES FINAIS• Poluição das águas em países ricos = consumismo
• Em países pobres = pobreza e educação
• Educação ambiental ! ...
• Brasil dispõe de 15% de toda a água doce do mundo
Quanto melhor a qualidade da água (preservação)
Melhor e mais barato será o tratamento
(sofisticação de metodologias....) - irracionalidade
De que adianta o progresso
se não há qualidade de vida?
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REFERÊNCIA SUGERIDA• UFMG - Departamento de Engenharia de Transportes e Geoctecnia. Eutrofização de corpos d´água:
http://www.etg.ufmg.br/tim1/eutrofiz.docVON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. DESA-UFMG.1996
<Disponível em maio de 2009>
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BIOINDICADORES
DA
QUALIDADE DA ÁGUA
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BIOINDICADORES DA QUALIDADE DA ÁGUA
• Importância da água à vida
Interesses diversos (demanda e escassez)
• Potabilidade: conjunto de parâmetros e padrões.
• Portaria MS no 518 (25/03/2004)
Físico-químicos, organolépticos e microbiológicos!
Manutenção do padrão e vigilância da qualidade...
A ÁGUA NA TRANSMISSÃO DE DOENÇAS- PROVOCADAS POR AGENTES MICROBIANOS
- PROVOCADAS POR AGENTES QUÍMICOS (agrotóxicos e resíduos industriais – metais pesados)
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DOENÇAS PROVOCADAS POR AGENTES MICROBIANOS
Normalmente: água + microrganismos de vida livre e não parasitária
Ocasionalmente: microrganismos patogênicos
(vida limitada na água)
Agrupamento CLÁSSICO dos patogênicos:
VÍRUS, BACTÉRIAS e HELMINTOS – agentes etiológicos
Ex. bactéria (cólera), protozoários (giardíase), helmintos (teníase), etc.
Outra classificação: AMBIENTAL
Ênfase: vias de transmissão e ciclo do agente
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GRUPO I: transmissão hídrica (PREVENÇÃO)
O agente está na água: diarréias (cólera, salmonelose),febres entéricas (hepatite, febre tifóide, ascaridíase) = TRATAMENTO DA ÁGUA
GRUPO II: transmissão relacionada com a higiene
Ex. escabiose = FORNECIMENTO DE ÁGUA POTÁVEL
GRUPO III: baseada na água (contato sem ingestão)
Contato com o agente que se desenvolve na água
Ex. esquistossomose = EDUCAÇÃO
GRUPO IV: inseto vetor procria na água
Ex. dengue, malária, etc. = EDUCAÇÃO E
RECONHECIMENTO DOS LOCAIS DE CRIAÇÃO 28ParalisiaVirus (Poliomielites)Paralisia infantil
Diarréia leve a forteVírusGastroenterite
Icterícia e febreVírus (tipo A)Hepatite infecciosa
Diarréia leve a forte, indigestão, flatulência
Protozoário (Giardia)Giardíase
Diarréia prolongada, sangramento
Protozoário (Entamoeba)
Disenteria amebiana
Febre alta, diarréia, ulceração
Bactéria (Salmonella)Febre tifóide
Febre, náusea, diarréia
Salmonelose
Icterícia, febreBactéria (Leptospira)Leptospirose
Diarréia muito forte, desidratação, morte
Bactéria (Vibrio)Cólera
Forte diarréiaBactéria (Shigella)Disenteria bacilar
GRUPO I - Ingestão de água contaminada
SintomasAgente causalDoença
Principais doenças associadas com a água
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Obstrução de vasos, deformação de tecidos
HelmintoFilariose
Febre, dor forte de cabeça, dores nas juntas e músculos, erupções
VírusDengue
Febre, dor de cabeça, prostração, vômitos
Vírus Febre amarela
Febre, suor, grave ou não
Protozoário (Plasmodium)
Malária
GRUPO IV - Transmissão por insetos
Diarréia, aumento do baço e fígado, hemorragias
Helminto (Schistosoma)
Esquistossomose
Verminoses
Inflamação dos olhos, cegueira total ou parcial
Clamídea (Chlamydia)Tracoma
Úlceras na peleSarna (Sarcoptes)Escabiose
GRUPOS II e III - Contato com água contaminada
SintomasAgente causalDoença
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AVALIAÇÃO DA POTABILIDADEEXAME BACTERIOLÓGICO
Identificação e quantificação dos agentes:
• IMPRATICÁVEL
• ANÁLISES TRABALHOSAS
• BAIXA DENSIDADE NA ÁGUA (INTERMITENTE)
Descoberta de microrganismos indicadores!
Ex. Agentes patogênicos no intestino (Grupo I) - fezes
Decisão: análise de outros habitantes não patogênicos que estão em maior densidade...
MONITORAMENTO DA QUALIDADE
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MICRORGANISMOS INDICADORES (BIOINDICADORES)
Tipos de microrganismos cuja presença na água éevidência de que está poluída/contaminada com
material fecal de origem humana ou de outros animais de sangue quente.
Qualquer microrganismo patogênico que ocorre no trato intestinal desses animais pode também estar
presente
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MICRORGANISMOS DO GRUPO COLIFORME
� Em grande quantidade nas fezes humanas
� Somente em fezes de animais de sangue quente
� Resistência semelhante aos patogênicos
� Identificação por técnicas simples e econômicas
� Geralmente, inofensivo ao homem e outros animais
PRINCIPAIS SUBGRUPOS
COLIFORMES TOTAIS (CT): (inclui E. coli), Citrobacter, Serratia, Klebsiella, Enterobacter ... (35oC)
COLIFORMES FECAIS (CF) (origem intestinal) - (44oC)
ESTREPTOCOCOS FECAIS (EF): não rotina
CF/EF > 4 (fecal - humano), CF/EF < 1 (fecal - outros)
9
33
Menor que 500 UFC/mL em amostras 100 mL (*)
Bactérias heterotróficas
Sistemas com + 40 am./mês:AUSÊNCIA em 100 mL em 95% das amostras examinadas no mês.
Sistemas com até 40 am./mês:Máximo de 1 amostra positiva em 100 mL.
CT
AUSÊNCIA em 100 mLE. coliÁgua tratada no sistema de distribuição (reservatórios e rede): Recoleta no mesmo ponto + à jusante + àmontante, no mínimo.Não são tolerados valores positivos.
AUSÊNCIA em amostras 100 mLCTÁgua na saída do tratamento
AUSÊNCIA em amostras 100 mLE. coliÁgua para consumo humano em toda e qualquer situação, incluindo poços, minas, nascente e outras
PadrãoIndicadorOrigem
Padrão microbiológico de potabilidade da água para consumo humano (Portaria 518/2004)
(*) UFC = Unidades Formadoras de Colônias. Contagem realizada em20% das amostras coletadas no mês. Se acima, recoletar, inspecionar e tomar providências. 34
105 + (1 para cada 5.000 hab.) Máximo de 1000
Acima de 250.000
30 + (1 para cada 2.000 hab.)De 20.001 a 250.000
1 para cada 500 hab.De 5.001 a 20.000
10Até 5.000
no amostras para CTPOPULAÇÃO TOTAL
Número mínimo de amostras mensais em sistema de distribuição (reservatórios e rede) para fins de análises microbiológicas (Portaria 518/2004)
Na saída de cada unidade de tratamento, devem ser coletadas, no mínimo 2 (duas) amostras semanais, recomendando-se a coleta de, pelo menos, 4 (quatro) amostras semanais.
Amostras para CT devem ser retiradas no ponto de consumo (mínimo 3 pontos de consumo de água), em quantidade de 1 para cada 500 hab, semanalmente.
35Navegação, paisagemClasse 4
Abastecimento com tratamento convencional ou avançado, irrigação de árvores, cereais e forrageiras, dessedentação de animais, pesca amadora, recreação de contato secundário
Classe 3
Abastecimento após tratamento convencional, aqüicultura, irrigação de hortaliças e frutíferas e parques e jardins, proteção das comunidades aquáticas, recreação de contato primário
Classe 2
Abastecimento após tratamento simplificado, recreação de contato primário, proteção das comunidades aquáticas, irrigação de hortaliças e frutas rentes ao solo consumidas cruas
Classe 1
Consumo humano com desinfestação, preservação das comunidades aquáticas
Especial
Usos preponderantesClasses
Classificação dos corpos de água superficiais (Cons. Nac. do Meio Ambiente/CONAMA Resolução 357, 17/03/2005)
Água Doce: salinidade ≤ 0,5%
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1000
500
250
CF (termotolerantes)
100800Satisfatória
Imprópria
50400Muito boa
25200Excelente
EnterococosE. coliRecreação
Critérios para recreação de contato primário, conforme CONAMA 274 de 29/11/2000
a) Coliformes fecais (termotolerantes): bactérias do grupo dos CT, presença da enzima ß-galactosidase, capacidade de fermentar a lactose com produção de gás em 24 horas àtemperatura de 44-45°C. Além de presentes em fezes humanas e de animais podem, também, ser encontradas em solos, plantas ou quaisquer efluentes contendo matéria orgânica;
b) Escherichia coli: bactéria pertencente à família Enterobacteriaceae, presença das enzimas ß-galactosidase e ß-glicuronidase. Cresce em meio complexo a 44-45°C, fermenta lactose e manitol. É abundante em fezes humanas e de animais, tendo, somente, sido encontrada em esgotos, efluentes, águas naturais e solos que tenham recebido contaminação fecal recente;
c) Enterococos: bactérias do grupo dos estreptococos fecais, pertencentes ao gêneroEnterococcus, alta tolerância às condições adversas de crescimento, tais como: capacidade de crescer na presença de 6,5% de cloreto de sódio, a pH 9,6 e nas temperaturas de 10° e 45°C. A maioria das espécies dos Enterococcus são de origem fecal humana, embora possam ser isolados de fezes de animais.
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37
ANÁLISE BACTERIOLÓGICA DA ÁGUAAMOSTRAGEM:
a) a amostra deve ser coletada em frasco esterilizado;
b) a amostra deve ser representativa;
c) contaminação deve ser evitada durante e após a coleta;
d) deve ser analisada logo após a obtenção;
e) pode ser armazenada entre 0-10oC e utilizada o mais rápido possível (24h).
MÉTODOS:
• MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACAS
• MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME
• MÉTODO 3: TECNOLOGIA DO SUBSTRATO DEFINIDO38
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MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACA
Plaqueamento: 0,1 ou 1,0 mL de água em meio ágar e incubada por 48h a 35oC (bactérias heterotróficas) –Portaria 518 (2004).
Contagem das colônias: < 500 UFC/mL, sem discriminar as espécies (patogênicas e saprófitas).
Indicação: controle de processos como sedimentação, filtração e cloração.
Alteração: passar todo o volume de água em membrana filtrante – colocar sobre almofada saturada com meio de cultura e incubar.
Contagem das colônias nas membranas.
Vantagens: representa o total do volume de água, resultados rápidos, usando meios seletivos é possível identificar tipos diferentes de bactérias. 40
MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACA
11
41
MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME
1) Teste presuntivo (inoculação em caldo lactosado): presença de gás (teste + para coliformes)
2) Teste confirmativo: do caldo lactosado para a) caldo lactosado verde-brilhante bile (CLVBB) ou b) ágar eosina azul de metileno (EMB).
Se formou gás em (a) o teste é +.
Em (b): colônias características: E. coli são pequenas, escuras com centro quase negro e brilho metálico esverdeado.
3) Teste completo: As colônias típicas do EMB são selecionadas e inoculadas em:
a) caldo lactosado (deve produzir gás)
b) ágar inclinado (fazer teste de Gram: Gram-, bacilos não esporulados).
42
MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME
43
MÉTODO 3: COLILERT PRESENÇA/AUSÊNCIA OU QUANTIFICAÇÃO DE COLIFORMES TOTAIS e E. coli
• Resultados confirmados em 24h• Aprovações internacionais (método padrão no Standard Methods for Water and Wastewater, 19a ed.)• Aprovação no Brasil: Secretarias de Saúde, laboratórios de pesquisa, universidades, companhias de saneamento• Facilidade de execução e leitura• Tempo de manipulação da análise: menor que 1 min• Detecta coliformes totais e E. coli (contaminação fecal) simultaneamente em 24h• Não há necessidade de confirmação• Não há manipulação de vidrarias ou contagem de colônias• Elimina interpretação subjetiva das cores de colônias• Detecta 1 coliforme em 100 mL de amostra 44
COLILERTTECNOLOGIA DE SUBSTRATO DEFINIDO
Análise simultânea de Coliformes Totais e E. coli
Fontes de C:ββββ-d-galactopiranosideo+o-nitrofenil (ONPG)
= COLIFORMES TOTAIS
ββββ-d-glucoronideo + 4-metil-umberliferil (MUG) = E. coli
Enzimas: ββββ-D- Galactosidase (ONPG)ββββ-D-Glucoronidase (E. coli)
• A maior parte dos microrganismos não-coliformes NÃO possui estas enzimas
• Os demais são inibidos pelos antibióticos do meio
12
45
CT
AMARELO
46
FLUORESCENTE
47
AUSÊNCIAPRESENÇA
QUANTIFICAÇÃO
48
13
49
SISTEMA SEMI-AUTOMÁTICO PARA CONTAGEM DE BACTÉRIAS
• Adição do substrato à amostra (100 mL): pura ou diluída
• Agitação até dissolver o substrato
• Colocação da amostra+substrato em cartela específica
• Seladora: distribuição simultânea das amostras em cubos
• Incubação: estufa bacteriológica a 35oC por 24h
• Contagem dos cubos amarelos (maiores e menores) – número mais provável (NMP) de Coliformes totais
• Exposição da cartela à luz UV: contagem dos fluorescentes – NMP de E. coli (contaminação fecal)
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OUTROS BIOINDICADORES DA QUALIDADE DA ÁGUA
Nocivas em sistemas de abastecimento (odor, cor, gosto ...) - EXEMPLOS
1) BACTÉRIA OXIDANTE DE FERRO E MANGANÊS
água de cor marrom e mau cheiro
2) BACTÉRIA REDUTORA DE SULFATO
água com cheiro de ovo podre
Criptosporidium: resiste ao cloro (diarréia e cãibras)
3) BACTÉRIAS HETEROTRÓFICAS: úlceras, cansaço, câncer (idosos e crianças): <500 UFC mL-1 (35oC/48h)
Pseudomonas aeruginosa: teste para desinfestação de piscinas, spas, etc.
Helicobacter pylori: 90% das úlceras (cloro destrói)
51
REFERÊNCIA SUGERIDA
PORTARIA MS no 518, de 25/03/2004
Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras providências.
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CIANOTOXINAS
E SUAS
IMPLICAÇÕES
14
53
1. OCORRÊNCIA E HÁBITAT DAS CIANOBACTÉRIAS
Cianobactérias: bactérias aeróbias fotoautotróficas
Origem: cerca de 3,5 bilhões de anos (fósseis)
Pioneiros na Terra (produtores, liberação de O2)
Crescimento em diversas condições:
� rochas e solos = liquens (fungo e cianobactéria)
� água doce = pH 6-9, T 15-30oC e [N e P]
54
2. OCORRÊNCIA DE FLORAÇÕES DE CIANOBACTÉRIAS
� Agroindústria + fertilizantes + urbanização
� Esgotos e resíduos industriais e agrícolas
EUTROFIZAÇÃO ARTIFICIAL (P)
Florações (Blooms): crescimento na superfície
Resposta rápida = FITOPLÂNCTON
algas + cianobactérias perda da diversidade
55 56
3. TOXINAS DE CIANOBACTÉRIAS
Diversos gêneros e espécies (blooms) = cianotoxinas
Fonte de produtos naturais tóxicos
Ação: rápida (neurotóxicos) - NEUROTOXINAS
lenta (hepatotóxicos) - HEPATOTOXINAS
Efeitos na saúde (crianças e imunodeficientes):
• Exposição primária: consumo, recreação e remédios
• Exposição secundária: resíduos em frutas e verduras, consumo de carne (tecido animal)
15
57
Neurotoxinas:
Sistema nervoso, pele, fígado e sistema gastrointestinal
Paralisia muscular, convulsão e morte
Hepatotoxinas: tumor, câncer, prostração, anorexia, vômitos, dores e diarréia
Microcistinas e Nodularinas: Inibição de enzimas fosfatases, promotores de tumores no fígado.
Cilindrospermopsinas: inibição de síntese protéica, efeitos tóxicos no fígado, rins, baço, coração e outros.
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NEUROTOXINAS (alcalóides):
Gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Trichodesmium e Cylindrospermopsis = 5 TIPOS
ANATOXINA-A (primeira toxina identificada)
• Potente bloqueador neuromuscular
• Animais: desequilíbrio, respiração ofegante e convulsões. Morte por parada cardíaca (poucos min).
• DL50 intraperitoneal em camundongos: 200 mg/kg
• Sobrevivência: 1 a 20 min (toxina purificada)
• Doses orais: mL a poucos L de água
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ANATOXINA-A(S): presença de organofosfato (toxina estruturalmente única), com efeitos mais duradouros.
Sintomas anteriores + salivação
DL50 intraperitoneal = 20mg/kg (10x + potente)
SAXITOXINA - inibição da condução nervosa
• 50x mais letal que estriquinina
• 10.000x mais mortal que os cianetos
• Gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbia e Cylindrospermopsis
60
ANATOXINA-A
ANATOXINA-A(S)
SAXITOXINA
NEUROTOXIN
AS
16
61
HEPATOTOXINAS (peptídeos cíclicos):
Tipo mais comum de intoxicação (tumor, câncer)
• Morte em poucas horas ou poucos dias
• Hemorragia intra-hepática (arquitetura do fígado)
Gêneros: Microcystis, Anabaena, Nodularia, Nostoc, Cylindrospermopsis
Microcistinas e Nodularinas (principais)
DL50 intraperitoneal: 60-70 mg/kg (microcistinas)
DL50 intraperitoneal: 50-200 mg/kg (nodularinas)
Recentemente: cilindrospermopsina
62
ESTRUTURA QUÍMICA DE HEPATOTOXINAS
63
Áreas de ocorrência:
Anatoxina-a: EUA, Canadá, Europa e China
Anatoxina-a(s): EUA, Canadá, Europa
Saxitoxina: EUA, Austrália, Brasil, Europa (Portugal)
Cilindrospermopsina: EUA, Austrália, Brasil, Japão, Israel, Europa
Microcistina: EUA, Austrália, Canadá, Europa e China
Lingbyatoxina: EUA, Austrália, Ilhas do Pacífico
• Microcistinas (+65 variantes): água doce(Microcystis, Anabaena, Oscillatoria, Nostoc,
Anabaenopsis)
• Nodularinas: água marinha (Nodularia)
64
17
65 66
4. EVIDÊNCIAS DE INTOXICAÇÕES HUMANAS
Descritas na Austrália, Inglaterra, China e África do Sul.
1988: correlação entre florações em Itaparica (BA) e morte de 88 pessoas (das 200 intoxicadas)
1996: pacientes submetidos à hemodiálise em Caruaru (PE) - 123 pacientes com hepatoxicose (54 mortes após 5 meses do início dos sintomas) - água não bem tratada (Cl no próprio caminhão)
Análises em laboratórios brasileiros e americanos: presença de MICROCISTINAS no carvão ativado e em amostras de sangue e fígado dos pacientes.
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5. FATORES AMBIENTAIS QUE INFLUENCIAM A PRODUÇÃO DE CIANOTOXINAS
• Variações temporais, sazonais, anuais e espaciais
• Alterações: cepas tóxicas e não tóxicas (população)
Questões:
1. Existem cepas geneticamente distintas que não produzem toxinas? OU
2. Fatores ambientais (luz, T, nutrientes) regulam a síntese destas toxinas?
** Cerca de 50% de florações testadas = TÓXICOS!
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6. NORMA DE QUALIDADE DA ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO, NO BRASIL
Portaria MS no 518 (25/03/2004)
Microcistinas: padrão < 1,0 µµµµg/L
Aceitam-se até 10 µµµµg/L em até 3 amostras consecutivas ou não, em 1 ano.
Recomendação: cilindrospermopsinas e saxitoxinas, com limites de 15 e 3 µµµµg/L, respectivamente
Análise: bioensaios em camundongos (OMS)
Freqüência:
• Semanal, se > 20.000 cél./mL e não usar algicidasno controle (lise e liberação de microcistinas)
• Mensal, se < 10.000 cél./mL
18
69
Padrões internacionais:
Anatoxina-a: Austrália (3 µµµµg/L)
Saxitoxina: Austrália (3 µµµµg/L)
Cilindrospermopsina: Austrália (1-15 µµµµg/L)
Microcistina:
OMS e Brasil (1 µµµµg/L)
Austrália (1,3 µµµµg/L)
Canadá (1,5 µµµµg/L)
EUA – não há padrões estabelecidos !
70
7. AVALIAÇÃO: métodos para detecção
Não universal devido à estrutura diversa...
Anatoxina-a: bioensaios, cromatografia
Anatoxina-a(s): bioensaios com rato, enzimas e
cromatografia
Saxitoxina: bioensaios com rato, imunoensaio e
cromatografia
Cilindrospermopsina: bioensaio e cromatografia
Microcistina: bioensaio, imunoensaio, fosfatase e cromatografia
71
8. TRATAMENTO PARA REMOÇÃO DE CIANOBACTÉRIA E TOXINA
Tratamento convencional (coagulação/floculação/sedimentação)
Filtração lenta em areia
Carvão ativado granular (pó)
Microfiltração (nano)
Oxidantes não clorados (O3)
Coagulação/sedimentação/filtração: remoção de 90-99% das bactérias.
Não remove toxinas (importante quando as mesmas estão restritas na célula-microcistinas), mas não para cilindrospermopsinas (liberadas)
Mais eficientes após tratamento convencional
72
Resumo de tratamentos para cianotoxinas:
Anatoxina-a e Anatoxina-a(s): C ativado, O3 e Cl
Saxitoxina: C, aquecimento, O3 e Cl (pouco eficiente)
Cilindrospermopsina: filtração, C, Cl, O3
Microcistina: Cl, filtração, O3 e C
Nodularina: Cl, filtração, O3, C
Estudos: degradação microbiológica...
• C ativado: eficiência inversa à [COD]
• Oxidação química: inativa as toxinas, mas podem surgir outras mais potentes (estudos?)
• Microfiltração: remove, mas são caros e o retido éextremamente tóxico
19
73
9. CIANOBACTÉRIAS E O AMBIENTE
1) Liberação de toxinas: senescência, morte ou lise são mais importantes que a excreção contínua
Quanto mais velho o bloom: > [toxinas]
• Microcistinas: estáveis e resistentes (meses a anos)
• Anatoxina-a: rápida degradação fotoquímica (alcalino)
• Cilindrospermopsina: lenta quebra a 50oC. Luz solar quebra em 2-3 dias (90% do total)
2) Após liberação:
� Adsorção: <20% em partículas sólidas
� Sedimentação: poucos estudos (liberação posterior)
� Percolação: f(tipo de argila, CTC, cátions, etc.)
3) BIODEGRADAÇÃO: estudos? Bactérias aquáticas comuns (Sphingomonas, Pseudomonas, etc.): 2 a 10 dias
f(temperatura da água, [toxinas], clima e corpo aquático)74
10. CONSIDERAÇÕES FINAIS
• Evitar eutrofização (Programas de monitoramento)
• Melhoria nas técnicas de tratamento de água
• Centros de hemodiálise e de injetáveis
• Portaria MS no 518 (25/03/2004): CIANOTOXINAS
Seleção para estudos:
(I) Prioridade máxima: microcistina, cilindrospermopsina e anatoxina-a
(II) Média a alta prioridade: saxitoxina e anatoxina-a(s)
(I) Mais estudos necessários: nodularina e lingbyatoxina
75
11. REFERÊNCIAS
Revista Virtual de Medicina (v.1, n.3, ano I, jul-set 98)
Profa. Dra. Sandra M.F.O. Azevedo (UFRJ)
http: //www.medonline.com.br/med_ed/med3/microcis.htm
<disponível em março de 2006>
Portaria MS no 518 (25/03/2004) de qualidade da água
http://portal.saude.gov.br/portal/arquivos/pdf/mnl_ciano_bacterias.pdf <disponível em março de 2006>
76
Anabaena
Aphanizomenon
Cilindrospermopsis
20
77
Lyngbya
Microcystis aeruginosa
Microcystis wesembargii
Planktothrix
78
BIOFILMES
79
1) O QUE SÃO BIOFILMES?
Complexos ecossistemas microbiológicos embebidos em uma matriz de polímeros orgânicos, aderidos a uma superfície (onde há contato com água).
Considerar: 106 a 107 células aderidas cm-2
Ex. placas dentárias, limo em rochas de rios, etc.
2) PORQUE ESTUDAR BIOFILMES?
� Bactérias patogênicas - DOENÇAS
Yersinia enterocolitica, Salmonella thyphimurium, E. coli O157:H7, Staphylococcus aureus e Bacillus cereus
� Problemas de saúde pública e de ordem econômica: Pseudomonas aeruginosa, P. fragi, P. fluorescens, Micrococcus sp e Enterococcus faecium
� Corrosão em sistemas (tubulações) de metal80
Célula bacteriana com polímeros extracelulares, os quais concentram nutrientes e a protegem de
agentes biocidas
21
81
Bactérias em biofilmes se unem em uma rede de fibras de polissacarídeos
82
3) BENEFÍCIOS ÀS BACTÉRIAS: ALIMENTO E PROTEÇÃO
Mecanismo de sobrevivência - ADERÊNCIA
� nutrientes e proteção contra biocidas
NUTRIENTES:
• Água potável: baixa quantidade de nutrientes
• Como o biofilme ajuda as bactérias obterem nutrientes?
a) [ ] de substâncias orgânicas nas superfícies
b) polímeros extracelulares concentram nutrientes
c) colonizadores secundários usam resíduos vizinhos
d) diferentes enzimas - comunidade complexa
83
PROTEÇÃO CONTRA BIOCIDAS:
• Pode ser 150 a 3000 x mais resistentes ao Cl que a isolada (livre na água)
• Resistência em f (rede de polissacarídeos) - escudo
• Estudos: aumento exopolímeros quando biocidas!
4) PASSOS PARA A FORMAÇÃO DO BIOFILME
• SUPERFÍCIE: adesão de partículas orgânicas
• ADESÃO de bactérias pioneiras: atração eletrostática e forças físicas
• FORMAÇÃO DO LIMBO (slime): cimentação das células às superfícies e sistema de troca de íons (nutrientes)
84
Alta [] nutrientes: reprodução de células pioneiras e nova produção de polímeros (gelatinosa e lisa)
Biofilme maduro: 75 a 95% do volume do tubo
COLONIZAÇÃO SECUNDÁRIA:
Uso de resíduos gerados pelos colonizadores primários
Novos resíduos formados COMUNIDADE
BIOFILME FORMADO E FUNCIONAL
• Tecido vivo na superfície
• Comunidade de dif. espécies (aeróbio e anaeróbio)
• Horas ou semanas para desenvolver
Ex. P. aeruginosa = 30s de exposição (pioneira)
22
85 86
Consórcio bacteriano
87
Colonização desuniforme por bactérias resulta em pontos diferentes de aeração - potencial elétrico
88
5) NOVAS DESCOBERTAS
• Antigamente: crescimento descontrolado (sem estrutura)
• Atual: estrutura complexa (cidade), com células geneticamente distintas (proteínas da parede celular alteradas - dificulta a morte por antibióticos)
EVOLUÇÃO BACTERIANA:
� Bactérias móveis
� Mecanismos para alterar a parede celular (tornou-se hidrofóbica) e aumentar a afinidade por superfícies (e encontrar nutrientes)
23
89
Modelo da arquitetura de um biofilme com espécies bacterianas simples - estrutura complexa
90
6) FATORES QUE CONTRIBUEM PARA A FORMAÇÃO
a) Superfície do material: pouco efeito (aço, plástico)
b) Área superficial: > área > formação (chance >)
c) Uniformidade: pouco efeito de irregularidades
d) Velocidade de fluxo: > fluxo < espessura biofilme
e) Limitação de nutrientes: < nutrientes < biofilme
1ppb MO produção de 9.500 bactérias mL-1
91
Rugosidade de aço e células de
Pseudomonas(0,3-0,8 x 1,0-1,2 µm) leite, alimento
e farmacêuticos
água pressurizada
tubo
polido
92
Espessura do biofilme em função da velocidade de fluxo
24
93
Fontes de nutrientes
� C orgânico: ácidos fúlvicos e húmicos, solventes, plásticos de fibra de vidro, lubrificantes, produtos microbianos, poeiras do ar
� Nitrogênio: N húmico e ácidos fúlvicos, nitratos e nitritos, produtos microbianos, poeiras do ar
� Fósforo: fosfatos na água, produtos microbianos, poeiras do ar
� Enxofre: sulfatos, ácido sulfúrico, surfactantes, poeiras do ar
� Elementos-traço e sais: tubulação, fibras-de-vidro, aço, tratamento químico, poeiras do ar
94
7) REMOÇÃO E DESTRUIÇÃO DE BIOFILMES
Tratamentos: químicos - oxidação ou não oxidação
físicos - água quente e esfregação
BIOCIDAS OXIDANTES
a) CLORO:
• mais eficiente e mais barato
• morte de células livres e de biofilmes
• destruição da rede de polissacarídeos
• se alta [Cl]: melhor e mais rápido - difusão
• cuidado com corrosão pelo próprio cloro
95
b) DIÓXIDO DE CLORO (ClO2):
• instável, efeito semelhante, corrosivo, cuidado no manuseio
c) OZÔNIO (O3):
• 2x mais oxidativo que o cloro
• instável (aplicação in situ)
• baixa solubilidade
• materiais devem ser resistentes ao ozônio
d) H2O2 10%:
• menos eficiente e mais caro que o cloro
• usado em sistemas microeletrônicos96
BIOCIDAS NÃO OXIDANTES
a) COMPOSTOS QUATERNÁRIOS DE AMÔNIO:
surfactantes eficientes na remoção
exige muitas aplicações para remoção
b) FORMALDEÍDO:
sistemas farmacêuticos
relativamente não corrosivo ao aço
efeito questionável e carcinogênico
TRATAMENTO FÍSICOCALOR: água quente (mais 80oC) para matar bactérias ------ 95oC por 100min
Não usado em água potável !
25
97
8) DETECTANDO E AVALIANDO BIOFILMES
CONTAGEM EM PLACAS: volume conhecido de amostra
Subestima:
• bactérias livres (99% estão aderidas)
• bactérias que sobrevivem no meio de cultura
• estado viável e não cultivável
VISUAIS E NÃO VISUAIS
VISUAIS: microscopia (contraste, epifluorescência e eletrônico) - adesão, interações com a matriz
NÃO VISUAIS:
IMPEDÂNCIA - alteração da condutividade (turvação)
BIOLUMINESCÊNCIA - mede ATP extracelular gerado
98
Vista de biofilmes em microscopia óptica e
eletrônica
99
9) O QUE FAZER?
• Bactéria: evolução para ADESÃO e PROTEÇÃO
• Combinação de estratégias: satisfazer as normas!
� PURIFICAR SEMPRE! reduz nutrientes (qualidade)
� AUMENTAR O FLUXO! reduz a espessura e zonas anaeróbias e facilita a penetração de biocidas
� REDUZIR AS FISSURAS! reduz biofilme e facilita ação de biocidas
� USAR BIOCIDAS SEMPRE!
100
Exemplo de aplicação de biocidas e nova formação do biofilme
26
101
ESTUDOS MULTIDICIPLINARES
CIENTISTA DE COMPUTAÇÃO
QUÍMICO MICROBIOLOGISTA
ENGENHEIRO
BIOFILMES
102
Etapas de desenvolvimento de um biofilme:
BIOFILME
103BIOFILME
104
ConcentraConcentraçção de Oxigênioão de Oxigênio
27
105
Dinâmica de CrescimentoDinâmica de Crescimento
106BIOFILME
PorosidadePorosidade
107
Quorum Quorum SensingSensing
BIOFILME108
Exemplos:
• Biofilme em dentes
BIOFILME