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Artigo CONTAGEM E CARACTERIZAÇÃO DE MICRORGANISMOS NUMA AMOSTRA DE SOLO Catarina Lucas (a21705304)1*, Eva Matos (a21701738)1**, Laurinda Simões (a21700274) 1*** 1 Universidade Lusófona de Humanidade e Tecnologias (ULHT), Campo Grande n. 376, 1749- 024 Lisboa, Portugal * e-mail: catarinalucasosl@hotmail.com ** e-mail: eva.matos@sapo.pt *** e-mail: laurindamariasimoes@gmail.com Recebido: 12 Abril 2018; Docente: Elisabete Muchagato Maurício; Unidade Curricular: Microbiology Abstract: The development of this study had the objective of observing and quantifying the microbial variety, bacteria and fungi, present in collected soil samples, by exploring techniques and basic concepts in microbiology. The samples provided were taken from garden soil, of the Lusophone University of Humanities and Technologies (ULHT), and the techniques were performed in the laboratories available on the same institution. Appropriate nutritional environments (PCA and Sabouraud) and temperature, were created and dilutions were produced through the pasteurized and unpasteurized soil samples. The colonies were counted using Colony Forming Units - UFC / gr method, FDA's Bacteriological Analytical Manual Center for Food[1], for the characterization of several cultures. Gram staining techniques were used for the morphological characterization of the microorganisms found, and the structural staining of the endospores was carried out using Green Malachite dye, and their motility was subsequently studied using Manitol Nitrate Mobility (MNM). From this study it was possible to assess the microbial diversity of soil samples, their structural and morphological characteristics, and to experience several basic techniques used in microbiology analyzes. Keywords: Microorganisms; soil sample; PCA; Sabouraud; LB; staining of gram; endospores. 1 – Introdução Sendo a Microbiologia uma ciência relativamente recente, dado que apenas foi reconhecida como tal devido às importantes experiências de Louis Pasteur (1822-1895) e Robert Koch (1843-1910), é hoje, no entanto, uma vasta área de saber que está em constante evolução, contribuindo para grandes avanços em diversas áreas, como por exemplo, na Medicina, na medida em que são agentes de doenças e produtores de antibióticos, na indústria alimentar, visto que contribuem na produção de bebidas, queijos, conservas, como também na Agricultura, e das mais diversas áreas de investigação. A sua origem teve início no momento em que começou a ser possível a observação de seres que não seria possível a sua observação a olho nu sem o auxilio de instrumentos de ampliação – os microscópios. [3] Globalmente, a importância dos micróbios advém, não só das reações metabólicas que levam a cabo e do conjunto de interações – benéficas ou nocivas – que estabelecem com os outros seres vivos, mas também pela sua vasta exorbitância representando individualmente cerca de dois terços de toda a matéria viva existente na Terra. [2] A vastidão do mundo microbiano inclui bactérias, microalgas, fungos e parasitas, nomeadamente protozoários, mas também vírus, uma vez que estes não possuem células, apesar de precisarem delas para se replicarem, constituindo um grupo à parte dos seres vivos. [2] Tanto o Homem como os outros seres vivos superiores, animais ou plantas, são suscetíveis de serem colonizados por estes microrganismos, adquirindo eles especificidades biológicas próprias, de acordo com os hospedeiros ou com os ecossistemas da sua preferência. Devido ao enorme avanço do conhecimento científico, os microrganismos são hoje estudados em diversas áreas científicas tais como: Bacteriologia (estudo das bactérias e o seu desenvolvimento), Micologia (estudo dos fungos existentes na Natureza e a sua interação com o Homem e o ambiente), Ficologia ou Algologia (estudo das algas existentes em águas doces e marinhas) e a Virologia (estudo dos vírus). [2][3] Os microrganismos têm disponíveis diversas fontes de energia que utilizam consoante as propriedades e caracteristicas do seu grupo. Podem ser classificados, principalmente, em autotróficos, produzindo o seu próprio nutriente de fontes simples de carbono, ou heterotróficos, utilizando móleculas já existentes. Podem ainda ser designados de unicelulares, se forem constituidos apenas por uma única célula, como é o caso das bactérias, microalgas, fungos e protozoários, como multicelulares, se forem constituídos por mais do que uma célula e ainda, procariotas e eucariotas, dependendo da sua complexidade estrutural, sendo mais simples ou mais complexos, respetivamente. A distribuição dos micróbios no planeta é universal. Encontram-se nos solos, nas águas superficiais e profundas, na atmosfera e habitam as camadas superficiais e muscosas interiores de todos os seres vivos, incluindo o Homem, fazendo parte da flora normal dos seres vivos. [2] Em Microbiologia, quando se refere a ocorrência de crescimento microbiano tal é entendido não na prespetiva de uma célula individual, mas de uma população celular, ou seja, é definido pelo aumento do número de indivívuos de uma população e não pelo aumento do tamanho de uma célula individual. A determinação do número de células pode ser obtida por: Métodos diretos, de contagem ao microscópio ou em cantadores eletrónicos, ou Métodos indiretos, de contagem de células viáveis. [2] O crescimento é um processo dinâmico que requer energia e nutrientes para a síntese de componentes e manutenção celular. A maior parte dos estudos microbiológicos dependem da capacidade de cultivar e manter os microrganismos no laboratório, e para que isso suceda, as preparações nutrivas utilizadas para o crescimento dos microrganismos são designadas de meios de cultura e dependem da espécie de miscorganismo que pretende cultivar, uma vez que diferentes microrganismos podem apresentar grandes diferenças quanto às exigências nutricionais, de modo que, são também utilizados no isolamento e manutenção de culturas puras, bem como na identificaçao de microrganismos de acordo com as suas características fisiológicas e bioquímicas. Uma vez que existe a probabilidade de duas células muito próxmias ou de agregados de células poderem originar apenas uma colónia, a contagem é expressa em unidades formadoras de colónias (UFC) e é feita a partir de métodos indiretos em placa, no presente trabalho, foi utilizado o método por espalhamento e o método por incorporação. [2] Figura 2 - Balança Figura 3 - Banho de água Figura 1 – Bico de Bunsen Figura 4 – Autoclave Figura 5 - Microscópio Figura 6 - Estufa Após o isolamento de um microrganismo, interessa proceder à sua caracterização, pelo que se sucede à coloração de Gram, uma técnica que irá caracterizar dois grupos de reação à coloração, como é o caso das bactérias Gram- positivo e Gram-negativo, o que, associado à morfologia, permite a orientação a seguir com vista à identificação .[2] 2 – Materiais e Métodos 2.1 Métodos Os processos de esterilização e desinfeção permitem o controlo do desenvolvimento dos microrganismos. São métodos essenciais no tratamento e prevenção de infeções e na prevenção da contaminação de culturas microbianas puras. [2] A seleção do método adequado depende, além da natureza do próprio agente, do tipo de material contaminado a tratar. No presente estudo foi utilizado o método por calor húmido, que pode ser obtido em autoclaves, aparelhos especiais de esterilização, que tem de estar a 1,2 atmosferas, a 121ºC durante 15 minutos. Esta combinação de temperatura e tempo cria as condições necessárias para a eliminação de uma população de 106 esporos de Geobacillus stearotermophilus, que são as formas microbianas que apresentam a maior capacidade de resistência. [2] Durante todo o processo foram respeitadas as condições de segurança, trabalhando sempreem condições de assepsia, utilizando como desinfetante o calor do bico de Bunsen, e lavando com álcool todos os matérias utilizados, assim como as bancadas de trabalho. 2.2 Equipamentos utilizados Para a realização das várias técnicas foram utilizados os seguintes equipamentos: 2.3 Amostras A amostra utilizada foi retirada do solo do jardim da Universidade Lusófona de Humanidade e Tecnologias (ULHT) fornecida pela docente. 2.4 Microorganismos utilizados: Foram utilizadas culturas puras previamente isoladas de: - Bacillus subtilis - Escherichia coli 2.5 Meios de Cultura Os meios de cultura utilizados foram: - Nutriente Agar (WL) - Sabouraud Dextrose Agar (Sabouraud) 2.6 Reagentes: Para a coloração das bactérias Gram-positivo e Gram-negativo foram utilizados os seguintes reagentes: - Violeta de cristal - Lugol - Álcool - Safranina - Verde malaquite Figura 6 - Preparação do meio de cultura Nutriente Agar após estrelização no Autoclave 3 – Procedimento 3.1 Preparação dos meios de cultura Para se cultivar com sucesso um determinado microrganismo é necessário compreender as suas necessidades nutricionais e depois fornecer esses nutrientes na forma e proporção correta no meio de cultura. Preparou-se dois meios de cultura: um meio universal sólido, o nutriente agar, que tem como finalidade a inoculação e manutenção de bactérias, e um meio seletivo sólido, o Sabouraud, suplementado com cloranfenicol, antibiótico que impede a proliferação de células bacterianas, promovendo o desenvolvimento individual de fungos e leveduras. [4] Entende-se por meio universal aquele que permite o crescimento bacteriano em geral, sem satisfazer contudo, nenhuma exigência em especial, e de meio seletivo os que contém substâncias que inibem o desenvolvimento de determinados grupos de microrganismos, permitindo o crescimento de outros. Relativamente ao processo prático, para preparar o meio de cultura universal: pesou-se 15,44 gramas de Nutriente Agar que após ser pesado, foi colocado num Erlenmeyer de 500 ml, juntando pouco a pouco, 200 ml de água destilada. Para preparar o meio seletivo: pesou- se 19,65 gramas de Sabouraud que após ser pesado, foi colocado num Erlenmeyer de 500 ml juntando pouco a pouco, 300 ml de água destilada. O meio sólido difere do meio líquido uma vez que o primeiro é acrescentado Agar, polímero sulfatado complexo de unidades de galactose, cuja função será fornecer nutrientes ao meio de cultura. [5] De seguida, preparou-se uma rolha para o Erlenmeyer, utilizando algodão enrolado sobre si mesmo e uma gaze para envolver e fechar a rocha. No fim utilizou-se ainda, papel de alumínio com a finalidade de proteger a rolha da humidade. Antes de ir para o autoclave, foi identificado de modo a que houvesse a certificação do bom funcionamento de esterilização. No autoclave, permaneceu durante 15 minutos, a 121ºC a pressão 1,2 atmosferas. Uma vez que não é dissolvido à temperatura ambiente, colou-se dentro do banho de água para que atingisse a temperatura de 60ºC de modo a que pudesse ser vertido para as respetivas placas de Petri, solidificando atingido a temperatura média de 40ºC. Em condições de assepsia, colocou-se em cada placa de Petri 20 mL do volume total de cada meio de cultura. De modo a que, o vapor de água não contaminasse as amostras, colocou-se as caixas do avesso. 3.2 Preparação de uma suspensão não pasteurizada e pasteurizada Os microrganismos do solo caracterizam-se por serem diversificados e abundantes, fator que contribui para que as avaliações quantitativas da micro população do solo sejam difíceis e limitadas. A sua ocorrência depende do tipo de solo, profundidade, temperatura, regime hídrico e outros fatores ambientais. Incluem bactérias, protozoários e algas. [2] Primeiramente e em condições de assepsia, pesou-se, aproximadamente, 1g de Terra para um tubo estéril. Foi pipetado 10ml de água igualmente estéril. De seguida, utilizou-se o método das diluições, para que o número de colónias fosse minimamente contável, uma vez que, como já referido anteriormente, o solo está abundantemente coberto de microrganismos. Procedeu-se à preparação da solução-mãe que foi sujeita a uma pasteurização de 80ºC durante 10 minutos em banho de água e outra que não foi sujeita a este tratamento. A Pasteurização é um processo de aquecimento entre 60ºC-90ºC cujo objetivo será reduzir logaritmicamente um número de organismos viáveis. O nome deriva do seu criador Louis Pasteur. [6] Com as diluições mãe preparadas (pasteurizada e não pasteurizada) efetuou-se diluições até 106 para que seja feita a quantificação de microrganismos em meio sólido. Figura 7 - Rolha de algodão Figura 8 - Técnica das diluições seriadas Após as diluições preparadas, foram pipetados 100 µl para caixas de Petri de meio de cultura universal e meio de cultura seletivo. Para que posteriormente, seja feita a contagem dos microrganismos, foi feita a inoculação através da técnica de espalhamento em placa à superfície, para o crescimento de microrganismos aeróbios, isto é, que necessitam de oxigénio para crescer, e a técnica de incorporação que visa o crescimento de microrganismos tanto aeróbios como anaeróbios, ou seja, que crescem com a ausência ou não de O2. Nesta última foi pipetado 1ml de cada fator de diluição e depois verteu-se, aproximadamente, 20ml de meio de cultura universal (meio liquefeito), de modo a que os microrganismos fiquem submersos pelo meio de cultura, para que haja crescimento superficialmente (aeróbios) e no seu interior (anaeróbios). Por fim, procedeu- se à incubação das placas em estufa em que as bactérias foram incubadas a 30ºC durante 72 horas e os fungos filamentosos e leveduras a 25ºC durante 5 a 7 dias. 3.3 Contagem e caracterização macroscópica das colónias obtidas Após os dias necessários ao crescimento das bactérias, fungos e leveduras, procedeu-se à caracterização macroscópica dos microrganismos e à calculação das ufc/g de solo pasteurizado e não pasteurizado. Relativamente à sua caracterização macroscópica verificandou-se os seguintes resultados: Para o meio de cultura universal não pasteurizado, verificou-se que no fator de diluição 10-1 seria impossível a sua caracterização, uma vez que apresentavam-se em grande número. Para o fator 10-2 apresentava cinco colónias com caracteristicas diferentes, nomeadamente: - Superfície lisa, opaca, brilho ceroso, pigmentação verde, forma circular, margem inteira e elevação elevada - Superfície rugosa, opaca, brilho ceroso, pigmentação verde, forma rizoide, margem ondulada e elevação achatada - Superfície pulverulenta, opaca, brilho baço, pigmentação amarela, forma e margem filamentosa, e elevação convexa - Superfície pulverulenta, opaca, brilho baço, pigmentação branca, forma e margem filamentosa e elevação elevada - Superfície rugosa, opaca, brilho ceroso, pigmentação verde, forma rizoide, margem ondulada e elevação achatada Para o fator 10-3, verifou-se a existência de 3 tipos de colónias: - Superficie lisa, opaca, brilho ceroso, pigmentação verde, forma circular, margem inteira e elevação achatada. - Superficie pulverulenta, opaca, brilho baço, pigmentação branca, forma filamentosa, margem inteira e elevação elevada - Superficie lisa, opaca, brilho ceroso, pigmentação verde, forma circular, margem inteira e elevação umbiculada. Analogamente ao meio de cultura seletivo não pasteurizado para o fator de diluição 10-1, a sua caracterização foi igualmente impossível, devido ao grande número de colónias existentes. Para o fator 10-2 o meio de cultura apresentou tipos de colonias com caracteristicas que diferem apenas na sua pigmentação, nomeadamente: - Superficie pulverulenta, opaca, brilho baço, pigmentação amarela/branca/verde, forma filamentosa, margem dentada e elevaçãoelevada. Já para o fator de diluição 10-3, observou-se apenas uma cólonia com as seguintes caracteristicas: superficie pulverulenta, opaca, brilho baço, pigmentação branco/verde, forma filamentosa, margem inteira e elevação elevada. Para o isolamento das colónias foram utilizadas as técnicas de estriação em placa e a técnica de isolamento de fungos filamentosos e bolores, ambas consistem na obtenção de culturas puras. Figura 9 - Diluições a partir da solução-mãe Figura 10 - Técnina de espalhamento em placa à superfície [5] Figura 11 - Técnica de incorporação [5] Figura 14 - Culturas puras pela técnica de estriação em placa Figura 15 - cultura pura pela técnica de isolamento de fungos filamentosos ou bolores Para o isalamento por estriação foi utilizado o meio universal, cujo objetivo foi retirar com uma alça de platina uma amostra das bactérias para que, por estriamento destas fosse possível a sua expansão e consequentemente o seu isolamento, uma vez que ao longo da placa o seu estriamento foi sendo cada vez menor, possibilitando a análise da cultura pura. Para o isolamento de fungos, foi utilizado o meio seletivo, uma vez que, como explicado anteriormente, continha um antibiótico incorporado para que inibisse o crescimento de bactérias. Nesta técnica, cortou- se um pedaço de nutriente Agar, com o auxilio de duas lancetas, onde o fungo pretendido estaria inserido, individualizando-o noutro meio de cultura para procedesse ao seu crescimento puro. 3.4 Obtenção de cultras puras e caracterização morfológica de microrganismos Observou-se o resultado das técnicas referidas anteriormente, nomeadamente, a técnica de estriação em placa à superficie e a técnica de isolamento de fungos filamentosos e bolores, verificando-se a existência de culturas puras em ambos os resultados. A partir dessa mesmas culturas procedeu-se à sua conservação repicando com uma ança os microrganismos para tubos contendo um meio de manutenção. Depois de realizar o processo icubar os tubos a 30ºC durante 48 horas para bactérias, e a 25ºC durante 5 dias para os fungos. Para que a conservação seja aproximadamente 1 mês, guardar no frigorifico, se for definitiva, conservar a -80ºC com 15% de glicerol. Por fim efetuou-se a coloração de Gram para a cultura pura obtida e para duas fornecidas pela docente, nomeadamente, Bacillus sp e Escherichia coli. A coloração Gram permite distinguir entre bactérias Gram-positivas e Gram-negativas com base na coloração diferencial com um complexo de violeta de cristal-iodo e uma contra corante de safranina. As paredes celulares de organismos Gram- positivos retêm este complexo após o tratamento com álcool e apresentam-se com a cor violeta, enquanto os organismos gram-negativos descoloram após o tratamento violeta cristal e Figura 12 - Colónias em meio de cultura universal não pasteurizado (Azul) e seletivo não pasteurizado (Rosa) com fatores de diluição de 10-1 a 10-3e meios de cultura por incorporação 10-1 e 10-2 Figura 13 - Técnica de estriação em placa [1][5] Figura 16 - Culturas puras em meio de manutenção/conservação apresentam-se de coloração vermelha, uma vez que foi usada a sefranina. O método é útil para avaliar a contaminação bacteriana de amostras de cultura de tecidos ou para examinar o estado de coloração de Gram e características morfológicas de bactérias isoladas de culturas bacterianas misturadas ou isoladas. [7] O que permite diferenciar as bactérias em relação à coloração Gram é a parede celular, uma vez que, as bactérias Gram-positivo apresentam uma parede celular predominantemente constituída por peptidoglicano, macromolécula típica dos procariotas. Enquanto as bactérias Gram- negativo têm uma parede celular mais complexa, distinguindo-se da das bactérias Gram-positivo, por possuirem elevado teor em lípidos e menor quantidade de peptidoglicano.[2] Durante o processo de coloração foram utilizadas quatro lâminas, três foram coradas com violeta cristal durante 1 minuto, de seguida, fixou-se o corante com lugol durante 1 minuto, após a fixação, utizou-se alcool por duas vezes e por fim a safranina durante 60 segundos. A última foi corada com verde malaquite. Os endosporors, estruturas formadas no interior de células bacterianas, são extremamente resistentes à desidratação, altas temperaturas, radiação ionizante, e penetração de substâncias químicas. Células que não os possuam designam-se células vegetativas, como o Bacillus subtilis. Fixou-se as amostras pelo calor, uma vez que o calor mata as células para que o corante penetre, e fixa-as para que não sejam arrastadas pelos líquidos durante o processo de coloração. Após a fixação da amostra, cubriu-se o esfreganço com verde malaquite e aqueceu-se à chama levemente. Após arrefecer, corar com a safranina para que haja um contraste entre o endosporo (coloração verde) e as células vegetativas (vermelho). De seguida lavou-se com àgua corrente deixando secar por cerca de 5 minutos. Após concluidos os processos, observou-se ao microscópio. [8][9] Figura 18 - Imagem microscópica 10x1000 de bactérias Gram-negativas (E. coli) Figura 19 – Imagem microscópica 10x1000 de bactérias Gram-positivas (Bacillus Subtilis) 3.5 Estudo da motilidade/mobilidade bacteriana Para estudar a motilidade bacteriana, foi realizada a inoculação por picada (com uma ança) das culturas puras obtidas em meio Manitol Nitrate Mobility, cujo objetivo será diferenciar bactérias com base na sua motilidade, capacidade de fermentar o manitol e ainda de reduzir o nitrato. A natureza semi-sólida do meio devido ao agar a 0,35% ajuda a detectar a Figura 17 - Imagem microscópica 10x1000 da cultura Bacillus subtilis após a coloração de endosporos bacterianos Figura 20 - Coloração Gram [9] motilidade. As bactérias móveis produzem crescimento difuso em todo o meio, enquanto as bactérias não móveis crescem apenas ao longo da linha de inoculação. [6] Após a inoculação, incubar a 30ºC durante 48 horas. 4 – Resultados Tabela 1 - Resultados da contagem macroscópica das colónias obtidas Tabela 2 - Resultados da contagem sob a fórmula UFC=(nºtotal de colónias/(volume do inóculo)*(Fator de diluição) 5 - Discussão De acordo com os resultados obtidos, e com o que seria expectável, verificou-se que quanto maior for o fator de diluição, menor será a presença de microrganismos. Analisando a relação entre a amostra pasteurizada e não pasteurizada, concluiu-se que houve diferenças significativas relativamente ao meio universal e seletivo, verificando-se a ausencia de colonias no meio seletivo em amostras de solo pasteurizado e a presenca destas no meio seletivo de solo nao pasteurizado. 6 – Conclusão Conseguiu-se atingir o objetivo proposto da observação da diversidade microbiana nas amostras do solo estudadas. Macroscopicamente foram visualizadas colónias de bacterias e fungos e microscopicamente as suas características morfológicas. Com o presente estudo verificou-se essencial o cumprimento das normas de segurança e higiene exigidas, uma vez que foram observadas contaminações ambientais nas amostras. Como limitação observámos que o número de elementos de cada grupo, assim como a vasta diversidade de colónias, dificultaram a contagem das mesmas, contribuindo para uma considerável margem de erro associada. Como primeiro contacto com o tema da microbiologia laboratorial, o uso das técnicas e dos métodos estudados foram úteis e positivos para o aprofundamento do tema abordado, assim como bastante interessantes, na medida em que podem facilitar a compreensão da sua aplicabilidade nas ciências da nutrição. Figura 21 - Resultado da inoculção por picada de culturas puras em meio Manitol Nitrate Mobility. Bactérias nãomóveis uma vez que o seu crescimento está apenas na linha de inoculação. 9 Referências: [1] FDA’s Bacteriological Analytical ManualCenter for Food, “Laboratory Methods - BAM: Aerobic Plate Count,” 2001. . [2] N. Ferreira, Wanda F. Canas; Sousa, João Carlos F.; Lima, Microbiologia. Lidel, 2016. [3] SHYAM CHATHURANGA, “Classification of Microorganisms • Smart Science Pro,” 2014. . [4] “Chloramphenicol - MeSH - NCBI.” [Online]. Available: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/mesh?Db=mesh&Cmd=DetailsSearch&Term=%22Chloramphenicol %22%5BMeSH+Terms%5D. [Accessed: 04-Apr-2018]. [5] “Agar | - PubChem.” [Online]. Available: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/71571511#section=Top. [Accessed: 05-Apr-2018]. [6] P. Stehlik, “Towards a complex approach to waste treatment in food processing,” in Handbook of Water and Energy Management in Food Processing, Elsevier, 2008, pp. 45–82. [7] R. Coico and I. John Wiley & Sons, Current protocols in microbiology. Wiley, 2010. [8] E. Mauricio, “Protocolo de Microbiologia Prática,” 2018. [9] “Gram Stain | MICRB 106.” [Online]. Available: https://online.science.psu.edu/micrb106_wd/node/6064. [Accessed: 07-Apr-2018].