Admin: Criou nova página com 'Referência : Simões, L. C., Gomes, I. B., Fernandes, C., Saavedra, M. J., Simões, M., (2022) ''Biofilmes em superfícies industriai...'

2022-03-30T17:12:56Z

Criou nova página com 'Referência : Simões, L. C., Gomes, I. B., Fernandes, C., Saavedra, M. J., Simões, M., (2022) ''Biofilmes em superfícies industriai...'

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Referência : Simões, L. C., Gomes, I. B., Fernandes, C., Saavedra, M. J., Simões, M., (2022) ''Biofilmes em superfícies industriais'', [https://rce.casadasciencias.org Rev. Ciência Elem.], V10(1):017
 
Autor: Lúcia C. Simões, Inês B. Gomes, Conceição Fernandes, Maria José Saavedra e Manuel Simões 
Editor: [[Usuário:Jntavar|João Nuno Tavares]] 
DOI: [[https://doi.org/10.24927/rce2022.017 https://doi.org/10.24927/rce2022.017]] 
<html><a href="https://rce.casadasciencias.org/rceapp/static/docs/artigos/2022-017.pdf" target="_blank">
<img src="https://rce.casadasciencias.org/static/images/layout/pdf.png" alt="PDF Download"></a></html>
----

== Resumo ==

<html>
A sobrevivência dos mais aptos é um princípio biológico aplicável a todos os seres vivos
e, embora organismos diferentes tenham desenvolvido mecanismos próprios para maximizar
as suas hipóteses de sobrevivência, todos possuem um fator comum — a sobrevivência
está diretamente relacionada com a capacidade de adaptação às variações das
características do meio ambiente. As bactérias são particularmente adaptáveis a tais variações,
em virtude da sua taxa de reprodução extremamente elevada, o que lhes permite
a transferência de características de sobrevivência para gerações futuras em períodos de
tempo muito curtos. Adicionalmente, muitas espécies bacterianas têm uma tendência natural
para se fixar a superfícies, multiplicar e incorporar numa matriz viscosa produzida
pelos microrganismos colonizadores, formando biofilmes</html><ref><html>SCHOPF, J. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/gj.3350200107">Earth’s earliest biosphere: Its Origin and Evolution</a>, Princeton Univ. Press., USA. 1983.</html></ref><html>.

</div>
<div class="article-body">

Estes biofilmes podem ser encontrados praticamente em qualquer material que esteja em
contacto com água, podendo a sua formação ser desejável ou indesejável. De facto, a organização
de células microbianas em biofilme, particularmente as bacterianas, é supostamente
a primeira forma de vida multicelular existente no planeta, sendo estimado que a maioria das
bactérias estejam organizadas em biofilmes</html><ref><html>COSTERTON, J. W. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3318676/">Bacterial biofilms in nature and disease</a>, Annu Rev Microbiol, 41, 435—64. 1987.</html></ref><html>. Estas estruturas microbianas podem ocorrer
em ambientes extremos, como em fontes hidrotermais, centrais nucleares e tubagens industriais
sujeitas a forte desinfeção. Contudo, a existência de biofilmes só foi documentada pela
primeira vez em 1943 por Zobell</html><ref><html>ZOBELL, C. E.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC373789/">The effect of solid surfaces upon bacterial activity</a>, J Bacteriol, 46, 39—56. 1943.</html></ref><html>, que observou células microbianas aderidas em paredes
de garrafas. Posteriormente, atribuíram o termo filme microbiano ou biológico à camada gelatinosa
de células e dos seus subprodutos aderidos às paredes de um biorreator</html><ref><html>ATKINSON, B. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://open.uct.ac.za/bitstream/handle/11427/12311/thesis_ebe_1975_harris_np.pdf?sequence=1">Kinetics, mass transfer and organism growth in a biological film reactor</a>, Transact Inst Chem Eng,
46, T257—T264. 1967.</html></ref><html>. Topiwala</html><ref><html>TOPIWALA, H. H. & HAMER, G.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260130614">Effect of wall growth in steady-state continuous cultures</a>, Biotechnol Bioeng, 13,
919—922. 1971.</html></ref><html>
e Hamer</html><ref><html>HOWELL, J. A. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260140208">Effect of wall growth on scale-up problems and dynamic operating characteristics of the biological reactor</a>, Biotechnol Bioeng, 14, 253—265, 1972.</html></ref><html> observaram camadas de células bacterianas e as suas substâncias poliméricas
extracelulares que designaram como crescimento de parede. Characklis</html><ref><html>CHARACKLIS, W. G.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0043135473900663">Attached microbial growths—I. Attachment and growth</a>, Water Res, 7, 1113—1127. 1973.</html></ref><html>, </html><ref><html>CHARACKLIS, W. G.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/004313547390002X?via%3Dihub">Attached microbial growths—II. Frictional resistance due to microbial slimes</a>, Water Res, 7,
1249—1258. 1973.</html></ref><html> publicou uma
extensa revisão bibliográfica sobre os fundamentos básicos e as implicações práticas dos
biofilmes, utilizando a designação lama microbiana.

Em 1984, um consenso dos principais investigadores na área definiu um biofilme como
um conjunto de microrganismos, predominantemente bactérias, embebidos numa matriz
tridimensional gelatinosa de polímeros extracelulares excretados pelos microrganismos
colonizadores</html><ref><html>MARSHALL, K. C.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-70137-5">Dahlem Workshop on Microbial Adhesion and Aggregation Berlin</a>, Berlin: Springer—Verlag. 1984.</html></ref><html>. Quando a formação de um biofilme é indesejável, este fenómeno é também
designado por sujamento biológico ou biofouling</html><ref><html>BOTT, T. R.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780444532244100014?via%3Dihub">Industrial Biofouling. Elsevier</a>, Amsterdam, p 1—5. 2011.</html></ref><html>. A FIGURA 1 apresenta um biofilme formado
numa superfície e a sua microestrutura.

 
<center>
<figure class="image-medium">
<img src="https://rce.casadasciencias.org/static/images/articles/2022-017-01.jpg">
</figure>
<figcaption>FIGURA 1. A) Superfície de aço inoxidável limpa. B) Superfície colonizada com biofilme bacteriano. C) Estrutura do biofilme obtida por
microscopia eletrónica de varrimento.
</figcaption>
</center>
 

Importa então esclarecer que a ciência dos biofilmes é uma disciplina técnica relativamente
nova, que surgiu fundamentalmente para dar resposta à necessidade de métodos
para o controlo de biofilmes. No entanto, a maior parte do trabalho já desenvolvido incidiu
essencialmente nos problemas provocados pelos biofilmes médicos. Esses têm uma reputação
drasticamente pior do que os encontrados na indústria, devido ao simples facto de
que os biofilmes médicos podem matar — mais de 65% de todas as infeções microbianas
em humanos são causadas por biofilmes</html><ref><html>BORGES, A. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://www.mdpi.com/1420-3049/21/7/877">New perspectives on the use of phytochemicals as an emergent strategy to control bacterial infections including biofilms</a>, Molecules, 21. 2016.</html></ref><html>, </html><ref><html>SHUNMUGAPERUMAL, T.,
Biofilm Eradication and Prevention, John Wiley & Sons, Inc., p 1—35. 2010.</html></ref><html>.

As superfícies parecem desempenhar um papel de grande importância na sobrevivência
das células microbianas, independentemente de se tratar de células eucarióticas ou procarióticas</html><ref><html>SIMÕES, L. C. & SIMÕES, M.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/RA/C2RA22243D">Biofilms in drinking water: problems and solutions</a>, RSC Adv, 3, 2520—2533. 2013.</html></ref><html>,
</html><ref><html>BARROS, A. C. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10811-018-1582-3">Microalgal/cyanobacterial biofilm formation on selected surfaces: the effects of surface physicochemical properties and culture media composition</a>, J Appl Phycol, 31, 375—387. 2019.</html></ref><html>, </html><ref><html>FERNANDES, S. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135419307250?via%3Dihub">Adhesion of filamentous fungi isolated from drinking water under different process conditions</a>, Water Res, 164, 114951. 2019.</html></ref><html>. São vários os fatores que contribuem para que a adesão dos microrganismos
à superfície represente uma vantagem ecológica e uma estratégia de sobrevivência,
destacando-se: i) a maior concentração de nutrientes junto à superfície; ii) a velocidade de
escoamento do fluido — é mínima junto à superfície. Contudo, o processo de formação e o
comportamento do biofilme são relativamente estocásticos. A formação de biofilmes em
sistemas industriais é um processo complexo que depende de variáveis processuais que
influenciam a atividade metabólica, individual e coletiva, e a replicação dos microrganismos</html><ref><html>DEINES, P. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-010-2510-x">A new coupon design for simultaneous analysis of in situ microbial biofilm formation and community structure in drinking water distribution systems</a>, Appl Microbiol Biotechnol, 87, 749—56. 2010.</html></ref><html>,
</html><ref><html>SIMÕES, M. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0023643809003430">A review of current and emergent biofilm control strategies</a>, LWT — Food Sci Technol, 43, 573—583.
2010.</html></ref><html>. De particular importância são o tipo de microrganismos presentes e as suas interações,
as condições hidrodinâmicas do fluido, o tipo de material da superfície de adesão
e o seu estado de conservação, a temperatura (do fluido e da superfície), a concentração
de nutrientes, a presença de material orgânico e inorgânico na superfície e em suspensão,
e a presença/ausência de desinfetante</html><ref><html>DEINES, P. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-010-2510-x">A new coupon design for simultaneous analysis of in situ microbial biofilm formation and community structure in drinking water distribution systems</a>, Appl Microbiol Biotechnol, 87, 749—56. 2010.</html></ref><html>, </html><ref><html>SIMÕES, M. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0023643809003430">A review of current and emergent biofilm control strategies</a>, LWT — Food Sci Technol, 43, 573—583.
2010.</html></ref><html>. Estas variáveis têm um papel de relevo na formação
do biofilme, nas suas características e na sua tolerância a desinfetantes (FIGURA 2).

 
<center>
<figure class="image-medium">
<img src="https://rce.casadasciencias.org/static/images/articles/2022-017-02.jpg">
</figure>
<figcaption>FIGURA 2. Etapas de formação de um biofilme numa superfície e variáveis que afetam a sua formação.
</figcaption>
</center>
 

Uma vez formado, o biofilme apresenta uma organização celular complexa que lhe confere
níveis de tolerância a produtos antimicrobianos muito superiores aos das mesmas
células em estado planctónico (células mantidas em suspensão). Estima-se que as células
em biofilmes podem ter uma tolerância antimicrobiana 1000 vezes superior à das mesmas
células em estado planctónico</html><ref><html>SIMÕES, M.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21517762/">Antimicrobial strategies effective against infectious bacterial biofilms</a>, Curr Med Chem, 18, 2129—45.
2011.</html></ref><html>.

Portanto, apesar das enormes perdas económicas decorrentes da formação de biofilmes
em sistemas industriais, esses são considerados secundários e a sua desinfeção é realizada
sem um conhecimento claro da eficiência dos biocidas no controlo de biofilmes. Salvo
problemas processuais, i.e, biocorrosão, limitação à transferência de calor, perda de carga
ou queda de pressão, os biofilmes não são tidos como problemáticos para a qualidade e
segurança do produto final desde que não se descolem da superfície onde estão aderidos.
Uma vez descolados da superfície, importa controlar a carga microbiológica no seio da fase
líquida. Desta forma, é fundamental manter uma concentração residual de desinfetante no
seio do líquido como estratégia de controlo dos microrganismos planctónicos</html><ref><html>SIMÕES, L. C. & SIMÕES, M.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/RA/C2RA22243D">Biofilms in drinking water: problems and solutions</a>, RSC Adv, 3, 2520—2533. 2013.</html></ref><html>. Esta prática
é corrente, por exemplo, no controlo da qualidade microbiológica da água potável.

Os biofilmes podem, contudo, ser utilizados com um carácter benéfico. Como exemplo de
biofilmes benéficos temos aqueles que se acumulam em ambientes naturais nos depósitos
dos rios, lagos ou ambientes marinhos, e que se desenvolvem em associação com as raízes
de algumas plantas fornecendo-lhes alguns nutrientes</html><ref><html>CHAVES, L.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="http://repositorium.sdum.uminho.pt/handle/1822/925">Estudo da cinética de formação de biofilmes em superfícies em contacto com água potável</a>, Universidade
do Minho: Escola de Engenharia. 2004.</html></ref><html>. São também biofilmes benéficos
aqueles que são utilizados em biotecnologia ambiental, com grande sucesso no tratamento
de efluentes, removendo poluentes orgânicos e inorgânicos de águas contaminadas e
na biorremediação de substâncias potencialmente tóxicas. Na indústria alimentar os biofilmes
apresentam inúmeras vantagens, podendo ser utilizados na produção de alimentos
fermentados, como por exemplo, a produção de vinagre por oxidação biológica do etanol</html><ref><html>MELO, L.,
Biofilmes e o Controlo da Poluição, Boletim de Biotecnologia, 48, 16—25. 1994.</html></ref><html>,
de ácido cítrico e na produção de sherry</html><ref><html>GJALTEMA, A.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="http://resolver.tudelft.nl/uuid:031dd87f-1376-41fd-bbe7-21b3d7d48ebe">XXX</a>, Technische Universiteit Delft: The Netherlands.
1996.</html></ref><html>. Como exemplo de outros produtos de interesse
industrial obtidos usando biofilmes destaca-se a produção de polímeros extracelulares,
nomeadamente o alginato e o gelano (polissacáridos de interesse industrial)</html><ref><html>GONZALEZ—CUELLO, E. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="http://www.m-hikari.com/ces/ces2018/ces17-20-2018/p/rodriguezCES17-20-2018-2.pdf">Optimization of the mechanical properties of biofilm based on alginate — gellan plasticized with glycerol</a>, Contemp Eng Sci, 11, 891—905. 2018.</html></ref><html>, e também
a produção de vacinas e hormonas</html><ref><html>HARRO, J. M. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://doi.org/10.1111/j.1574-695X.2010.00708.x">Vaccine development in Staphylococcus aureus: taking the biofilm phenotype into consideration</a>, FEMS Immunol Med Microbiol, 59, 306—23. 2010.</html></ref><html>, </html><ref><html>NEUMAN, H. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://doi.org/10.1093/femsre/fuu010">Microbial endocrinology: the interplay between the microbiota and the endocrine system</a>, FEMS
Microbiol Rev, 39, 509—21. 2015.</html></ref><html>. Aplicações farmacêuticas através da produção de
metabolitos secundários, e processos biológicos para a extração de metais a partir de minério
são exemplos de outros bioprocessos onde o uso de microrganismos em biofilmes é
relevante</html><ref><html>XAVIER, J. B. et al.,
<a class="a-link" target="_blank"
href="https://docs.ufpr.br/~microgeral/arquivos/pdf/pdf/biofilmes.pdf">Monitorização e modelação da estrutura de biofilmes</a>, Boletim de Biotecnologia, 2—13. 2003.</html></ref><html>. Na indústria, os reatores de biofilme apresentam vantagens relativamente aos
reatores de biomassa suspensa, uma vez que permitem uma maior retenção da biomassa e
a operação com tempos de residência mais baixos. Isto é relevante quando se utilizam correntes
de alimentação muito diluídas ou microrganismos com taxas de replicação baixas,
cujo crescimento em suspensão requer tempos de residência significativos. Além disso,
os reatores de biofilme são mais estáveis em condições transitórias, caracterizadas pela
existência de flutuações no caudal e na composição do fluido de alimentação, e requerem
um menor volume processual e área de implementação</html><ref><html>VIEIRA, M. J. & OLIVEIRA, R.,
Reactores Biológicos Fundamentos e Aplicações, Lidel — Edições Técnicas, Lda., p</html></ref><html>.

Os biofilmes desempenham um papel importante na natureza e em processos biotecnológicos.
Do ponto de vista do interesse do Homem podem ser benéficos ou prejudiciais,
donde resulta a necessidade do seu estudo para permitir o desenvolvimento de estratégias
para melhorar as suas características, caso eles sejam benéficos, ou para o eliminar ou
inibir a sua formação, quando a sua ação é prejudicial.

 

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado por: Financiamento Base — UIDB/00511/2020 da Unidade de Investigação — Laboratório
de Engenharia de Processos, Ambiente, Biotecnologia e Energia — LEPABE — financiado por fundos nacionais através da
FCT/MCTES (PIDDAC); Financiamento Base — UIDB/04469/2020 da Unidade de Investigação Centro de Engenharia Biológica
— financiado por fundos nacionais através da FCT/MCTES (PIDDAC); financiamento CIMO (UIDB/00690/2020)
através de fundos nacionais FCT/MCTES; Financiamento Base — UIDB/04033/2020 da Unidade de Investigação — Centro
de Investigação e Tecnologias Agroambientais e Biológicas — CITAB — financiado por fundos nacionais através da
FCT/MCTES (PIDDAC); BioTecNorte (NORTE-01-0145-FEDER-000004) no âmbito do Programa Operacional Regional
do Norte — Norte2020; Projetos: Biocide_for_Biofilm — PTDC/BII-BTI/30219/2017 — POCI-01-0145-FEDER-030219;
AlgaValor — POCI-01-0247-FEDER-035234; LISBOA-01-0247-FEDER-035234; ALG-01-0247-FEDER-035234; pBio4.0
— POCI-01-0247-FEDER-033298; Germirrad — POCI-01-0247-FEDER-072237, financiados pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento
Regional (FEDER), através do COMPETE2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização
(POCI) e com o apoio financeiro da FCT/MCTES através de fundos nacionais (PIDDAC) e ANI.
</html>

=Referências=
<references/>
---- Criada em 6 de Abril de 2021 Revista em 12 de Maio de 2021 Aceite pelo editor em 15 de Março de 2022 
[[Category:Biologia]]

Biofilmes em superfícies industriais - História de revisão

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