maria do carmo silva barreto inovaÇÃo tecnolÓgica baseada

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA NA PRODUÇÃO DE BIOPOLÍMERO COM VIABILIDADE PARA INOCULANTE RIZOBIANO Recife Abril/2008

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Page 1: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIEcircNCIAS BIOLOacuteGICAS

PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM CIEcircNCIAS BIOLOacuteGICAS

Maria do Carmo Silva Barreto

INOVACcedilAtildeO TECNOLOacuteGICA BASEADA NA PRODUCcedilAtildeO

DE BIOPOLIacuteMERO COM VIABILIDADE PARA INOCULANTE RIZOBIANO

Recife Abril2008

Maria do Carmo Silva Barreto

INOVACcedilAtildeO TECNOLOacuteGICA BASEADA NA PRODUCcedilAtildeO DE BIOPOLIacuteMERO COM VIABILIDADE PARA

INOCULANTE RIZOBIANO

Orientador Prof Dr Joseacute Luiz de Lima Filho

Co- Orientadores Profordf Drordf Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo

Prof Dr Heacutelio Almeida Burity

Recife Abril2008

Dissertaccedilatildeo apresentada ao Programa de Poacutes-

Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas da

Universidade Federal de Pernambuco - UFPE

como requisito parcial para obtenccedilatildeo do Tiacutetulo

de Mestre em Ciecircncias Bioloacutegicas

Aacuterea de Concentraccedilatildeo Biotecnologia

Barreto Maria do Carmo Silva Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemero com viabilidade para inoculante rizobiano Maria do Carmo Silva Barreto ndash Recife O Autor 2008

92 folhas il fig tab

Dissertaccedilatildeo (mestrado) ndash Universidade Federal de Pernambuco CCB Ciecircncias Bioloacutegicas 2008

Inclui bibliografia

1 Bioquiacutemica 2 Leguminosas 3 Biopoliacutemeros 4 Rhizobia I Tiacutetulo 5771 CDU (2ed) UFPE

572 CDD (22 ed) CCB ndash 2008-085

Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais pelo apoio ao longo de todos os caminhos que passei com amor

Agradecimentos

A Deus por ter me dado perseveranccedila paciecircncia paz de espiacuterito para transpor mais esta etapa na minha vida profissional e pessoal

Aos meus Pais Joseacute Ribeiro Barreto e Maria Almerinda Barreto pela

minha vida educaccedilatildeo apoio carinho e incentivo e a minha irmatilde Glauciene Barreto e cunhado Joatildeo Rodrigues pelas palavras de apoio e incentivo dado0

Ao Dr Joseacute Luiz de Lima Filho por ter acreditado em mim por todo o seu

apoio e confianccedila depositada durante o Mestrado

A Dra Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo pelos ensinamentos conselho amor e confianccedila refletidos em trabalhos Por sempre nos demonstrar com exemplos que qualquer objetivo pode ser alcanccedilado com responsabilidade trabalho seacuterio e organizaccedilatildeo Meus mais sinceros agradecimentos

Ao Dr Helio Almeida Burity pela acolhida no Laboratoacuterio Biologia do Solo

ndash IPA agradeccedilo pelo conviacutevio amizade ensinamentos por facilitar a conclusatildeo dos trabalhos desenvolvidos no laboratoacuterio sempre tendo uma palavra que nos reconforta e ajuda A Dra Francisca Pessoa Franccedila pela ajuda esclarecimentos e apoio despendidos

Ao Dr Joseacute de Paula Oliveira pela amizade ajuda atenccedilatildeo e contribuiccedilatildeo despendida durante todo o trabalho

A Dra Maria Luiza Bastos pela amizade apoio incentivo e carinho

Aos Doutores Adaacutelia Cavalcanti Eidy Simotildees Maria do Carmo

Catanho Socircnia Formiga da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA pela convivecircncia troca de conhecimentos e amizade

Aos meus Amigos do Laboratoacuterio Marcela Vila Nova Emmanuella Vila

Nova Elisacircngela Cabral Rafael Barboza Sue Ellen Aniacutebia Vicente Helane Costa Tathiana Alves Andreacute Sueldo por todos os memoraacuteveis momentos compartilhados tanto no laboratoacuterio como fora dele muito obrigado agrave todos

Agrave Profordf e Dra Carolina Etienne pela amizade e ajuda na revisatildeo deste trabalho uma pessoa querida que estaacute sempre pronta para ajudar meu muito obrigada

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

65 Referecircncias Bibliograacuteficas

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

PEREIRA K C Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica bioquiacutemica e molecular de rizoacutebios

recomendados para inoculaccedilatildeo de leguminosas arboacutereas Jaboticabal - SP 2002 63 p

Dissertaccedilatildeo (Mestrado) ndash Universidade Estadual Paulista Faculdade de Ciecircncias

Agraacuterias e Veterinaacuterias 2002

RUITER G A SCHOLS H A VORAGEN G J ROMBOUTS F M Carbohydrate

analysis of water-soluble uronic acid containing polysaccharides with high performance

anion exchange chromatography using methanolysis combined with TFA hydrolysis is

superior to four ather methods Analytical Biochemistry v 207 p 176-185 1992

SCAMPARINI A R P DRUZIAN J I MALDONADE I MARIUZZO D New

biopolymers produced by nitrogen fixing microrganisms for use in foods In

Hydrocolloids Part1 Physical Chemistry and industrial Appliation of Gels

polysaccharides and proteins Osaka ed K Nishinari Elsevier Science BV p 169-

178 2000

SHU C H E YANG S T ldquoEffects of temperature on cell growth and xanthan

production in batch cultures of Xanthomonas campestrisrdquo Biotechnology and Bioengineering V 35 p 454-468 1990

SOUW P DEMAIN A L Nutritional studies on xanthan production by Xanthomonas

campestris NRRL B-1459 Applied and Environmental Microbiology v 37 n 6 p

1186-1192 1979

THONART M PAQUOD M HERMANS L et al Xanthan production by

Xanthomonas campestris NRRL B-1459 and interfacial approach by zeta potencial

measurement Enzyme Microbiology Technology v7 p235-238 1985

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URENHA L C PRADELLA J G C OLIVEIRA M S BONOMI A Produccedilatildeo de

biomassa celular de rizoacutebio In HUNGRIA M ARAUJO R S Manual de meacutetodos

empregados em estudos de microbiologia agriacutecola Brasiacutelia EMBRAPA-SPI 1994

542p

VINCENT JM (1970) A manual for the practical study of the root nodule bacteria

Lodon JBP 1970 164 p

WEI Y amp FANG J Studies on the chromatography behavior of some uronic acids and

neutral sugars on an amino-boned phase column Journal of Chromatography v 513

p 227-235 1990

WHITFIELD C SUTHERLAND I W CRIPPS R G Surface polysaccharides in

mutants of Xanthomonas campestris Journal of General Microbiology v 124 p 385-

392 1981

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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MICROBIOLOGY AND

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

Journal article Smith J Jones M Jr Houghton L et al (1999) Future of health insurance N Engl J Med 965325ndash329

Article by DOI Slifka MK Whitton JL (2000) Clinical implications of dysregulated cytokine production J Mol Med Doi101007s001090000086

Book South J Blass B (2001) The future of modern genomics Blackwell London

Book chapter Brown B Aaron M (2001) The politics of nature In Smith J (ed) The rise of modern genomics 3rd edn Wiley New York pp 230-257

Online document Doe J (1999) Title of subordinate document In The dictionary of substances and their effects Royal Society of Chemistry Available via DIALOG httpwwwrscorgdosetitle of subordinate document Accessed 15 Jan 1999

Always use the standard abbreviation of a journalrsquos name according to the ISSN List of Title Word Abbreviations see wwwissnorgennode344

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Figure Captions

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Submissatildeo do Artigo

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
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Page 2: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Maria do Carmo Silva Barreto

INOVACcedilAtildeO TECNOLOacuteGICA BASEADA NA PRODUCcedilAtildeO DE BIOPOLIacuteMERO COM VIABILIDADE PARA

INOCULANTE RIZOBIANO

Orientador Prof Dr Joseacute Luiz de Lima Filho

Co- Orientadores Profordf Drordf Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo

Prof Dr Heacutelio Almeida Burity

Recife Abril2008

Dissertaccedilatildeo apresentada ao Programa de Poacutes-

Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas da

Universidade Federal de Pernambuco - UFPE

como requisito parcial para obtenccedilatildeo do Tiacutetulo

de Mestre em Ciecircncias Bioloacutegicas

Aacuterea de Concentraccedilatildeo Biotecnologia

Barreto Maria do Carmo Silva Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemero com viabilidade para inoculante rizobiano Maria do Carmo Silva Barreto ndash Recife O Autor 2008

92 folhas il fig tab

Dissertaccedilatildeo (mestrado) ndash Universidade Federal de Pernambuco CCB Ciecircncias Bioloacutegicas 2008

Inclui bibliografia

1 Bioquiacutemica 2 Leguminosas 3 Biopoliacutemeros 4 Rhizobia I Tiacutetulo 5771 CDU (2ed) UFPE

572 CDD (22 ed) CCB ndash 2008-085

Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais pelo apoio ao longo de todos os caminhos que passei com amor

Agradecimentos

A Deus por ter me dado perseveranccedila paciecircncia paz de espiacuterito para transpor mais esta etapa na minha vida profissional e pessoal

Aos meus Pais Joseacute Ribeiro Barreto e Maria Almerinda Barreto pela

minha vida educaccedilatildeo apoio carinho e incentivo e a minha irmatilde Glauciene Barreto e cunhado Joatildeo Rodrigues pelas palavras de apoio e incentivo dado0

Ao Dr Joseacute Luiz de Lima Filho por ter acreditado em mim por todo o seu

apoio e confianccedila depositada durante o Mestrado

A Dra Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo pelos ensinamentos conselho amor e confianccedila refletidos em trabalhos Por sempre nos demonstrar com exemplos que qualquer objetivo pode ser alcanccedilado com responsabilidade trabalho seacuterio e organizaccedilatildeo Meus mais sinceros agradecimentos

Ao Dr Helio Almeida Burity pela acolhida no Laboratoacuterio Biologia do Solo

ndash IPA agradeccedilo pelo conviacutevio amizade ensinamentos por facilitar a conclusatildeo dos trabalhos desenvolvidos no laboratoacuterio sempre tendo uma palavra que nos reconforta e ajuda A Dra Francisca Pessoa Franccedila pela ajuda esclarecimentos e apoio despendidos

Ao Dr Joseacute de Paula Oliveira pela amizade ajuda atenccedilatildeo e contribuiccedilatildeo despendida durante todo o trabalho

A Dra Maria Luiza Bastos pela amizade apoio incentivo e carinho

Aos Doutores Adaacutelia Cavalcanti Eidy Simotildees Maria do Carmo

Catanho Socircnia Formiga da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA pela convivecircncia troca de conhecimentos e amizade

Aos meus Amigos do Laboratoacuterio Marcela Vila Nova Emmanuella Vila

Nova Elisacircngela Cabral Rafael Barboza Sue Ellen Aniacutebia Vicente Helane Costa Tathiana Alves Andreacute Sueldo por todos os memoraacuteveis momentos compartilhados tanto no laboratoacuterio como fora dele muito obrigado agrave todos

Agrave Profordf e Dra Carolina Etienne pela amizade e ajuda na revisatildeo deste trabalho uma pessoa querida que estaacute sempre pronta para ajudar meu muito obrigada

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

65 Referecircncias Bibliograacuteficas

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Figure Captions

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Figure captions begin with the term Fig in bold type followed by the figure number also in bold type

No punctuation is to be included after the number nor is any punctuation to be placed at the end of the caption

Identify all elements found in the figure in the figure caption and use boxes circles etc as coordinate points in graphs

Identify previously published material by giving the original source in the form of a reference citation at the end of the figure caption

Figure Placement and Size

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For most journals the figures should be 39 mm 84 mm 129 mm or 174 mm wide and not higher than 234 mm

For books and book-sized journals the figures should be 80 mm or 122 mm wide and not higher than 198 mm

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Submissatildeo do Artigo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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Page 3: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Barreto Maria do Carmo Silva Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemero com viabilidade para inoculante rizobiano Maria do Carmo Silva Barreto ndash Recife O Autor 2008

92 folhas il fig tab

Dissertaccedilatildeo (mestrado) ndash Universidade Federal de Pernambuco CCB Ciecircncias Bioloacutegicas 2008

Inclui bibliografia

1 Bioquiacutemica 2 Leguminosas 3 Biopoliacutemeros 4 Rhizobia I Tiacutetulo 5771 CDU (2ed) UFPE

572 CDD (22 ed) CCB ndash 2008-085

Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais pelo apoio ao longo de todos os caminhos que passei com amor

Agradecimentos

A Deus por ter me dado perseveranccedila paciecircncia paz de espiacuterito para transpor mais esta etapa na minha vida profissional e pessoal

Aos meus Pais Joseacute Ribeiro Barreto e Maria Almerinda Barreto pela

minha vida educaccedilatildeo apoio carinho e incentivo e a minha irmatilde Glauciene Barreto e cunhado Joatildeo Rodrigues pelas palavras de apoio e incentivo dado0

Ao Dr Joseacute Luiz de Lima Filho por ter acreditado em mim por todo o seu

apoio e confianccedila depositada durante o Mestrado

A Dra Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo pelos ensinamentos conselho amor e confianccedila refletidos em trabalhos Por sempre nos demonstrar com exemplos que qualquer objetivo pode ser alcanccedilado com responsabilidade trabalho seacuterio e organizaccedilatildeo Meus mais sinceros agradecimentos

Ao Dr Helio Almeida Burity pela acolhida no Laboratoacuterio Biologia do Solo

ndash IPA agradeccedilo pelo conviacutevio amizade ensinamentos por facilitar a conclusatildeo dos trabalhos desenvolvidos no laboratoacuterio sempre tendo uma palavra que nos reconforta e ajuda A Dra Francisca Pessoa Franccedila pela ajuda esclarecimentos e apoio despendidos

Ao Dr Joseacute de Paula Oliveira pela amizade ajuda atenccedilatildeo e contribuiccedilatildeo despendida durante todo o trabalho

A Dra Maria Luiza Bastos pela amizade apoio incentivo e carinho

Aos Doutores Adaacutelia Cavalcanti Eidy Simotildees Maria do Carmo

Catanho Socircnia Formiga da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA pela convivecircncia troca de conhecimentos e amizade

Aos meus Amigos do Laboratoacuterio Marcela Vila Nova Emmanuella Vila

Nova Elisacircngela Cabral Rafael Barboza Sue Ellen Aniacutebia Vicente Helane Costa Tathiana Alves Andreacute Sueldo por todos os memoraacuteveis momentos compartilhados tanto no laboratoacuterio como fora dele muito obrigado agrave todos

Agrave Profordf e Dra Carolina Etienne pela amizade e ajuda na revisatildeo deste trabalho uma pessoa querida que estaacute sempre pronta para ajudar meu muito obrigada

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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YOKOYAMA LP amp STONE LF Qualidade classificaccedilatildeo comercial e manejo

poacutecolheita In YOKOYAMA LP amp STONE LF (Ed) Cultura do feijoeiro no Brasil Caracteriacutesticas da Produccedilatildeo Santo Antocircnio de Goiaacutes EMBRAPA-Arroz e feijatildeo

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

_____________________ Cellular glycogen β-12-glucan poly-β-hydroxybutyric acid

and extracellular polysaccharides in fast-growing species of Rhizobium Antonie van Leeuwenhoek v 47 p 481-497 1981

_____________________ Selective synthesis of polysaccharides by Rhizobium trifolii

strain TA-1 FEMS Microbiology Letters v 35 p 43-47 1986

____________________ Succionoglycan and galactoglucan Carbohydrate Polymers

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_____________________ amp EBBINK A G Interrelations between glycogen poly-β-

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ZIMMERMANN MJO amp TEIXEIRA MG Origem e evoluccedilatildeo In Zimmermann MJO

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Always use the standard abbreviation of a journalrsquos name according to the ISSN List of Title Word Abbreviations see wwwissnorgennode344

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Identify all elements found in the figure in the figure caption and use boxes circles etc as coordinate points in graphs

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Figure Placement and Size

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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Page 4: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais pelo apoio ao longo de todos os caminhos que passei com amor

Agradecimentos

A Deus por ter me dado perseveranccedila paciecircncia paz de espiacuterito para transpor mais esta etapa na minha vida profissional e pessoal

Aos meus Pais Joseacute Ribeiro Barreto e Maria Almerinda Barreto pela

minha vida educaccedilatildeo apoio carinho e incentivo e a minha irmatilde Glauciene Barreto e cunhado Joatildeo Rodrigues pelas palavras de apoio e incentivo dado0

Ao Dr Joseacute Luiz de Lima Filho por ter acreditado em mim por todo o seu

apoio e confianccedila depositada durante o Mestrado

A Dra Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo pelos ensinamentos conselho amor e confianccedila refletidos em trabalhos Por sempre nos demonstrar com exemplos que qualquer objetivo pode ser alcanccedilado com responsabilidade trabalho seacuterio e organizaccedilatildeo Meus mais sinceros agradecimentos

Ao Dr Helio Almeida Burity pela acolhida no Laboratoacuterio Biologia do Solo

ndash IPA agradeccedilo pelo conviacutevio amizade ensinamentos por facilitar a conclusatildeo dos trabalhos desenvolvidos no laboratoacuterio sempre tendo uma palavra que nos reconforta e ajuda A Dra Francisca Pessoa Franccedila pela ajuda esclarecimentos e apoio despendidos

Ao Dr Joseacute de Paula Oliveira pela amizade ajuda atenccedilatildeo e contribuiccedilatildeo despendida durante todo o trabalho

A Dra Maria Luiza Bastos pela amizade apoio incentivo e carinho

Aos Doutores Adaacutelia Cavalcanti Eidy Simotildees Maria do Carmo

Catanho Socircnia Formiga da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA pela convivecircncia troca de conhecimentos e amizade

Aos meus Amigos do Laboratoacuterio Marcela Vila Nova Emmanuella Vila

Nova Elisacircngela Cabral Rafael Barboza Sue Ellen Aniacutebia Vicente Helane Costa Tathiana Alves Andreacute Sueldo por todos os memoraacuteveis momentos compartilhados tanto no laboratoacuterio como fora dele muito obrigado agrave todos

Agrave Profordf e Dra Carolina Etienne pela amizade e ajuda na revisatildeo deste trabalho uma pessoa querida que estaacute sempre pronta para ajudar meu muito obrigada

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

55 Referecircncias

Amanullah A Serrano LC Galindo E Nienow AW (1996) Reproducibility of pilot scale

xanthan fermentations Biotechnology Progress New York 12 466-473

Antunes AEC Moreira AS Vendruscolo JLS Vendruscolo CT (2000) Viscosidade

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Balatti AP (1992) Produccioacuten de inoculantes para leguminosas La Pampa Facultad de

Ciecircncias Exactas Y Naturales de la Universidad Nacional de La Pampa 152p

Beyer R Melton DL Kennedy DL (1987) Viscosity studies on the polysaccharide gum

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161

Boiardi JL Balatti AP Mazza LA (1983) Cultivos de Rhizobium phaseoli en sistema

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Boza YEAG (2002) Encapsulamento Beijerinckia sp utilizando Spray-drier

Departamento de Ciecircncia de alimentos (FEA) Universidade Estadual de Campinas

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

65 Referecircncias Bibliograacuteficas

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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MICROBIOLOGY AND

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References Citation Reference list

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Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

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Journal article Smith J Jones M Jr Houghton L et al (1999) Future of health insurance N Engl J Med 965325ndash329

Article by DOI Slifka MK Whitton JL (2000) Clinical implications of dysregulated cytokine production J Mol Med Doi101007s001090000086

Book South J Blass B (2001) The future of modern genomics Blackwell London

Book chapter Brown B Aaron M (2001) The politics of nature In Smith J (ed) The rise of modern genomics 3rd edn Wiley New York pp 230-257

Online document Doe J (1999) Title of subordinate document In The dictionary of substances and their effects Royal Society of Chemistry Available via DIALOG httpwwwrscorgdosetitle of subordinate document Accessed 15 Jan 1999

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
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Page 5: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Agradecimentos

A Deus por ter me dado perseveranccedila paciecircncia paz de espiacuterito para transpor mais esta etapa na minha vida profissional e pessoal

Aos meus Pais Joseacute Ribeiro Barreto e Maria Almerinda Barreto pela

minha vida educaccedilatildeo apoio carinho e incentivo e a minha irmatilde Glauciene Barreto e cunhado Joatildeo Rodrigues pelas palavras de apoio e incentivo dado0

Ao Dr Joseacute Luiz de Lima Filho por ter acreditado em mim por todo o seu

apoio e confianccedila depositada durante o Mestrado

A Dra Maacutercia do Vale Barreto Figueiredo pelos ensinamentos conselho amor e confianccedila refletidos em trabalhos Por sempre nos demonstrar com exemplos que qualquer objetivo pode ser alcanccedilado com responsabilidade trabalho seacuterio e organizaccedilatildeo Meus mais sinceros agradecimentos

Ao Dr Helio Almeida Burity pela acolhida no Laboratoacuterio Biologia do Solo

ndash IPA agradeccedilo pelo conviacutevio amizade ensinamentos por facilitar a conclusatildeo dos trabalhos desenvolvidos no laboratoacuterio sempre tendo uma palavra que nos reconforta e ajuda A Dra Francisca Pessoa Franccedila pela ajuda esclarecimentos e apoio despendidos

Ao Dr Joseacute de Paula Oliveira pela amizade ajuda atenccedilatildeo e contribuiccedilatildeo despendida durante todo o trabalho

A Dra Maria Luiza Bastos pela amizade apoio incentivo e carinho

Aos Doutores Adaacutelia Cavalcanti Eidy Simotildees Maria do Carmo

Catanho Socircnia Formiga da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA pela convivecircncia troca de conhecimentos e amizade

Aos meus Amigos do Laboratoacuterio Marcela Vila Nova Emmanuella Vila

Nova Elisacircngela Cabral Rafael Barboza Sue Ellen Aniacutebia Vicente Helane Costa Tathiana Alves Andreacute Sueldo por todos os memoraacuteveis momentos compartilhados tanto no laboratoacuterio como fora dele muito obrigado agrave todos

Agrave Profordf e Dra Carolina Etienne pela amizade e ajuda na revisatildeo deste trabalho uma pessoa querida que estaacute sempre pronta para ajudar meu muito obrigada

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

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Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

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64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

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7 ANEXOS

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
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Page 6: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Ao Prof e Dr Cosme Rafael pela ajuda aconselhamento e correccedilotildees que foram indispensaacuteveis para o ecircxito deste trabalho muito obrigada

Ao Dr Odemar Reis ndash Estatiacutestico do IPA pela ajuda despendida durante

os trabalhos pelas palavras de confianccedila e ensinamentos

Aos funcionaacuterios do IPA Almira pela ajuda na aquisiccedilatildeo de material bibliograacutefico Rosa Morais pela ajuda e amizade Waldemar Arauacutejo pela amizade palavras de confianccedila e forccedila Luacutecia Maacuterio e Rita pelo conviacutevio no dia a dia pela ajuda carinho e amizade

As Profa Dra Gliacutecia Calazans e Profa Dra Janete Magali pela ajuda e

obtenccedilatildeo do equipamento uacuteteis para a conclusatildeo dos trabalhos muito obrigada

A Coordenadora do Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Ciecircncias Bioloacutegicas CCBUFPE Profa Dra Suely Lins Galdino pelo apoio e informaccedilotildees indispensaacuteveis para o funcionamento do mestrado

A Secretaacuteria da Poacutes-graduaccedilatildeo Adenilda Eugecircnia pela ajuda e amizade despendida ao longo do curso

Agrave CAPESFACEPE pelo apoio financeiro no fomento da bolsa de mestrado

A todos aqueles que mesmo natildeo mencionados estiveram ao meu lado

contribuindo para a minha formaccedilatildeo e para a realizaccedilatildeo deste estudo o meu mais sincero agradecimento

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

65 Referecircncias Bibliograacuteficas

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

WORLD JOURNAL OF

MICROBIOLOGY AND

BIOTECHNOLOGY Editor-in-Chief Peter J Large ISSN 0959-3993 (print version) ISSN 1573-0972 (electronic version) Journal no 11274 Springer Netherlands Online version available

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND

BIOTECHNOLOGY Editor-in-Chief Peter J Large ISSN 0959-3993 (print version) ISSN 1573-0972 (electronic version) Journal no 11274 Springer Netherlands Online version available

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References Citation Reference list

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Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

Journal article Smith J Jones M Jr Houghton L et al (1999) Future of health insurance N Engl J Med 965325ndash329

Article by DOI Slifka MK Whitton JL (2000) Clinical implications of dysregulated cytokine production J Mol Med Doi101007s001090000086

Book South J Blass B (2001) The future of modern genomics Blackwell London

Book chapter Brown B Aaron M (2001) The politics of nature In Smith J (ed) The rise of modern genomics 3rd edn Wiley New York pp 230-257

Online document Doe J (1999) Title of subordinate document In The dictionary of substances and their effects Royal Society of Chemistry Available via DIALOG httpwwwrscorgdosetitle of subordinate document Accessed 15 Jan 1999

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Submissatildeo do Artigo

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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Page 7: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

LISTA DE FIGURAS Fig 1

Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico 16

Fig 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento 16

Fig 3 Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899(b) com 168 horas de cultivo 47

Fig 4

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT) 48

Fig 5

Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

49

Fig 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (Densidade oacutetica) 63

Fig 7 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 68

Fig 8 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 69

Fig 9 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 70

Fig 10 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 71

Fig 11 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 72

Fig 12 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 73

Fig 13 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 74

Fig 14 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 75

Fig 15 Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm 76

Fig 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14) 77

Fig 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899) 78

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

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64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

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7 ANEXOS

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
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Page 8: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

Paacuteginas

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

40

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982) 42

Tabela 3 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas 43

Tabela 4 Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos 44

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium cultivados em 96 e 168 horas de cultivo 45

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento 45

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici 62

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14) 78

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

55 Referecircncias

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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7 ANEXOS

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Submissatildeo do Artigo

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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Page 9: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

SUMAacuteRIO AGRADECIMENTOS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS SUMAacuteRIO 1 Introduccedilatildeo 1

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L) 1

12 Rhizobium sp 3

13 Simbiose rizoacutebio-leguminosa 5

14 Polissacariacutedeos de rizoacutebio 8

15 Reologia 13

2 Justificativa 19 3 Objetivos 20

31Geral 20

32 Especiacuteficos 20

4 Referecircncias 21 5 Capiacutetulo 1 34

Resumo 35

Abstract 36

51 Introduccedilatildeo 37

52 Material e Meacutetodos 39

53 Resultados e Discussatildeo 44

54 Conclusotildees 51

55 Referecircncias 52

6 Capiacutetulo 2 57 Resumo 58

61 Introduccedilatildeo 59

62 Material e Meacutetodos 61

63 Resultados e Discussatildeo 66

64 Conclusotildees 81

65 Referecircncias 82

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

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promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

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diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

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Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

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preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

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Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

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lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

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condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

65 Referecircncias Bibliograacuteficas

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SOUW P DEMAIN A L Nutritional studies on xanthan production by Xanthomonas

campestris NRRL B-1459 Applied and Environmental Microbiology v 37 n 6 p

1186-1192 1979

THONART M PAQUOD M HERMANS L et al Xanthan production by

Xanthomonas campestris NRRL B-1459 and interfacial approach by zeta potencial

measurement Enzyme Microbiology Technology v7 p235-238 1985

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URENHA L C PRADELLA J G C OLIVEIRA M S BONOMI A Produccedilatildeo de

biomassa celular de rizoacutebio In HUNGRIA M ARAUJO R S Manual de meacutetodos

empregados em estudos de microbiologia agriacutecola Brasiacutelia EMBRAPA-SPI 1994

542p

VINCENT JM (1970) A manual for the practical study of the root nodule bacteria

Lodon JBP 1970 164 p

WEI Y amp FANG J Studies on the chromatography behavior of some uronic acids and

neutral sugars on an amino-boned phase column Journal of Chromatography v 513

p 227-235 1990

WHITFIELD C SUTHERLAND I W CRIPPS R G Surface polysaccharides in

mutants of Xanthomonas campestris Journal of General Microbiology v 124 p 385-

392 1981

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7 ANEXOS

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MICROBIOLOGY AND

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

Journal article Smith J Jones M Jr Houghton L et al (1999) Future of health insurance N Engl J Med 965325ndash329

Article by DOI Slifka MK Whitton JL (2000) Clinical implications of dysregulated cytokine production J Mol Med Doi101007s001090000086

Book South J Blass B (2001) The future of modern genomics Blackwell London

Book chapter Brown B Aaron M (2001) The politics of nature In Smith J (ed) The rise of modern genomics 3rd edn Wiley New York pp 230-257

Online document Doe J (1999) Title of subordinate document In The dictionary of substances and their effects Royal Society of Chemistry Available via DIALOG httpwwwrscorgdosetitle of subordinate document Accessed 15 Jan 1999

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Submissatildeo do Artigo

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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Page 10: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

7 Anexos 87

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

Submissatildeo do Artigo

Normas da Revista Scientia Agraacuteria

Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Submissatildeo do Artigo

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
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Page 11: Maria do Carmo Silva Barreto INOVAÇÃO TECNOLÓGICA BASEADA

1 INTRODUCcedilAtildeO

11 Feijoeiro (Phaseolus vulgaris L)

O feijoeiro eacute cultivado em cerca de 100 paiacuteses em todo o mundo envolvendo

grande nuacutemero de gecircneros e espeacutecies dificultando uma anaacutelise comparativa dos

iacutendices de produtividade por espeacutecie Considerando somente o Phaseolus vulgaris L o

Brasil eacute o maior produtor seguido do Meacutexico Entretanto a produccedilatildeo brasileira de feijatildeo

tem sido insuficiente para abastecer o mercado interno devido agrave reduccedilatildeo na aacuterea

plantada da ordem de 35 nos uacuteltimos 17 anos (Yokoyama amp Stone 2000) A falta de

tecnologia e o cultivo em solos marginais devido ao baixo retorno econocircmico da

cultura contribuem decisivamente para a baixa produtividade do feijoeiro e nesse

quadro o fornecimento adequado de nutrientes particularmente o nitrogecircnio (N) e o

foacutesforo (P) representam um dos fatores limitantes agrave obtenccedilatildeo de maiores rendimentos

no Brasil (Arauacutejo 1994)

No Brasil o feijoeiro eacute cultivado nos mais variados tipos de solos e clima sendo

plantado preferencialmente como cultura de subsistecircncia em pequenas propriedades

O feijatildeo eacute importante fonte de nutrientes (proteiacutenas minerais vitaminas) e calorias na

dieta brasileira (Hungria et al 2000) Aleacutem de apresentar alto conteuacutedo de carboidratos

componentes de fibra (celulose hemicelulose e lignina) e digeriacuteveis (amido e sacarose)

encontram-se no feijatildeo alguns oligossacariacutedeos (rafinose estaquiose verbascose) O

feijatildeo tambeacutem eacute uma fonte importante de vitaminas hidrossoluacuteveis como a tiamina a

riboflavina a niacina e a folacina que satildeo vitaminas do complexo B envolvidas na

prevenccedilatildeo de certos defeitos fetais cardiovasculares e certos tipos de cacircncer (Costa amp

Vieira 2000)

O feijoeiro eacute originaacuterio das Ameacutericas com centros de origens e domesticaccedilatildeo na

Meso Ameacuterica (Meacutexico-Guatemala) e na Zona Leste dos Andes Seu cultivo foi

delineado haacute mais de 7000 anos entre os nativos do Peru sugerindo seleccedilatildeo da

espeacutecie para a agricultura (Gepts 1990) As aacutereas de diferenciaccedilatildeo e domesticaccedilatildeo do

feijoeiro ocorrem em altitudes entre 500 e 1800 m na Ameacuterica Central e norte da

Ameacuterica do Sul Diversos tipos selvagens satildeo registrados em altitudes proacuteximas a

1200m (Miranda 1974) Os feijoeiros provenientes desses materiais mostram grande

amplitude de caracteriacutesticas morfoloacutegicas e fisioloacutegicas O gecircnero Phaseolus conteacutem

mais de uma centena de espeacutecies mas apenas P vulgaris L P coccineus L P

acutifolius Gray var Latifolius Freeman e P lunatus var lunatous satildeo cultivadas

comercialmente (Zimmermann amp Teixeira 1988) Dessas o feijoeiro comum P vulgaris

L eacute a espeacutecie de maior importacircncia econocircmica contribuindo com cerca de 95 da

produccedilatildeo mundial de Phaseolus No Brasil em uma rota inversa agrave do traacutefico de

escravos P vulgaris chegou agrave Aacutefrica e provavelmente em tempos anteriores agrave Aacutesia

via Filipinas No seacuteculo XVI foi introduzido na Europa e na Califoacuternia levado por

intermeacutedio dos espanhoacuteis trazido da Ameacuterica Central (Mariot 1989)

Os teores de N nos solos do Brasil satildeo baixos de um modo geral situando-se na

faixa de 005 a 03 Com a intensificaccedilatildeo da agricultura as exigecircncias de adiccedilatildeo

de N bem como a sua remoccedilatildeo satildeo ampliadas e consequentemente se o N retirado

do solo pelas plantas natildeo for reposto o teor desse nutriente decresceraacute rapidamente

Quanto aos fertilizantes nitrogenados existe um custo elevado para a siacutentese dos

mesmos de cerca de seis barris de petroacuteleo para cada tonelada de amocircnio produzido

bem como gastos com o transporte e distribuiccedilatildeo do fertilizante aleacutem de outros

(Hungria et al1997) Considerando que o feijoeiro eacute cultivado principalmente por

pequenos agricultores em solos muitas vezes deficientes em N mineral esforccedilos para

a melhoria do processo de simbiose da cultura com rizoacutebios inoculados nas sementes

podem corresponder a aumentos significativos no rendimento de gratildeos Essa via

bioloacutegica se torna ainda mais importante quando se leva em consideraccedilatildeo os custos

elevados do N mineral limitando a sua utilizaccedilatildeo principalmente pelos pequenos

agricultores Praacuteticas alternativas para diminuir esses custos precisam ser procuradas

principalmente no Brasil que importa fertilizante nitrogenado para satisfazer agrave demanda

interna (Hungria et al 2001) Um outro agravante na utilizaccedilatildeo de fertilizantes

nitrogenados reside na baixa eficiecircncia de sua utilizaccedilatildeo pelas plantas raramente

ultrapassando 50 Deve-se considerar ainda que o uso indiscriminado de fertilizantes

nitrogenados resulta em poluiccedilatildeo ambiental pois a lixiviaccedilatildeo do N ocorre contaminaccedilatildeo

no lenccedilol freaacutetico que resultam em acuacutemulo de formas nitrogenadas podendo atingir

niacuteveis toacutexicos a peixes e ao homem (Hungria et al 2001)

Dentro deste contexto destaca-se a necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade dos

pequenos agricultores responsaacuteveis pela quase totalidade da produccedilatildeo mundial desta

leguminosa essencial na dieta de grande parte da populaccedilatildeo brasileira (Dakora 2003)

12 Rhizobium sp

Este gecircnero foi classificado em 1932 por Fred et al e apresenta como

caracteriacutestica ceacutelulas em forma de bastonete curto Gram-negativas com dimensotildees

que variam entre 05 e 09 microm por 12 a 30 microm ocorrendo isolados ou aos pares

moacuteveis por flagelos polares subpolares ou peritriquiais natildeo formam esporos e em

culturas envelhecidas apresentam granulaccedilotildees de poli-β-hidroxibutirato (Urenha et al

1994) Apresentam bom crescimento em meio com manitol sacarose e levedura

podendo em meios gelificados desenvolver colocircnias planas convexas ou umbilicadas

apresentam normalmente coloraccedilatildeo branca e opaca por vezes transluacutecidas

apresentando frequentemente produccedilatildeo de goma de natureza polissacariacutedica A

inclusatildeo de Vermelho do Congo no meio de cultura natildeo conduz a uma forte absorccedilatildeo

deste corante pelas colocircnias podendo certas estirpes apresentar ligeira absorccedilatildeo As

estirpes de crescimento raacutepido produzem colocircnias de 4 a 6 mm de diacircmetro em 5 dias

de incubaccedilatildeo a 26-30 degC provocando acidificaccedilatildeo do meio de cultura As estirpes de

crescimento lento produzem colocircnias com 1 mm de diacircmetro em 10 dias de incubaccedilatildeo

a 28-30 degC provocando a alcalinizaccedilatildeo do meio de cultura Induzem a formaccedilatildeo de

noacutedulos na raiz de leguminosas compatiacuteveis colonizando-os e podendo aiacute desenvolver

atividade diazotroacutefica em simbiose utilizam oxigecircnio como receptor final de eleacutetrons na

cadeia respiratoacuteria satildeo microrganismos aeroacutebios estrito e a faixa de pH oacutetimo para seu

desenvolvimento estaacute entre 6 e 7 (Hungria amp Arauacutejo1994)

A literatura relata a presenccedila de reaccedilatildeo aacutecida durante o cultivo promovendo

queda do pH do meio de cultura (Jordan 1984) No entanto dados experimentais de

cultivo desta bacteacuteria em fermentador na presenccedila de sacarose glutamato

monossoacutedico e extrato de levedura mostram comportamento oposto As velocidades

especiacuteficas maacuteximas de crescimento desta bacteacuteria oscilam em torno de 020h o que

resulta num tempo de geraccedilatildeo de aproximadamente 35 h

Entre as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio presentes no solo cujas populaccedilotildees

satildeo altamente influenciadas pela rizosfera das plantas o rizoacutebio eacute considerado o grupo

mais importante na agricultura tropical pela sua associaccedilatildeo com as leguminosas Esta

simbiose eacute responsaacutevel por uma substancial parte talvez a maior do fluxo global de

nitrogecircnio atmosfeacuterico fixado nas formas de amocircnia nitrato e compostos orgacircnicos

(Kahindi et al 1997) Certamente esta associaccedilatildeo eacute a mais estudada mas simbioses

envolvendo actinomicetos do gecircnero Frankia cianobacteacuterias especialmente a

associaccedilatildeo Azolla-Anabaena e organismos heterotoacuteficos fixadores de nitrogecircnio de vida

livre e associativos podem tambeacutem fixar quantidades significativas de nitrogecircnio sob

condiccedilotildees especiacuteficas (Straliotto amp Rumjanek1999)

Atualmente os rizoacutebios estatildeo classificados como pertencentes agrave domiacutenio

Bacteria Filo Proteobacteria Classe Alfaproteobacteria Ordem Rhiobiales e

distribuiacutedos nas Famiacutelias Rhizobiaceae Phyllobacteriaceae Bradyrhizobiaceae e

Hiphomicrobiaceae (Garrity amp Holt 2001) Aleacutem disso algumas bacteacuterias capazes de

nodular e fixar N2 em simbiose com leguminosas foram recentemente identificadas

como pertencentes agrave Classe das Betaproteobacteria Ordem Burkholderiales Famiacutelia

Burkholderiaceae Gecircnero Burkholderia (Moulin et al 2001) e tambeacutem pertencentes agrave

Classe das Alfaproteobacterias Ordem Rhizobiales Famiacutelia Methylobacteriaceae

Gecircnero Methylobacterium (Sy et al 2001)

As bacteacuterias que nodulam o feijoeiro foram classificadas inicialmente como

Rhizobium phaseoli poreacutem com uma melhor caracterizaccedilatildeo fisioloacutegica bioquiacutemica e

geneacutetica essas bacteacuterias foram reclassificadas apoacutes 50 anos na espeacutecie Rhizobium

leguminosarum bv phaseoli (Jordan 1984) Com o estudo de outros isolados e o

avanccedilo nas teacutecnicas de biologia molecular em um curto periacuteodo de tempo foi

constatado que as bacteacuterias que nodulavam o feijoeiro apresentavam claramente

caracteriacutesticas fisioloacutegicas e geneacuteticas distintas permitindo a sua separaccedilatildeo em dois

grupos denominadas Tipo I e Tipo II (Martiacutenez et al 1985 Quinto et al 1985 Brom et

al 1988) Essas e outras diferenccedilas levaram em 1991 agrave definiccedilatildeo de uma nova

espeacutecie R tropici (trorsquo pi ci Gr n tropikos troacutepicos) que incluiria as estirpes do Tipo

II que foi subdividido em IIA e IIB (Martinez-Romero et al 1991) As bacteacuterias dessa

nova espeacutecie foram descritas como aeroacutebias Gram-negativas com pH oacutetimo para

crescimento variando entre 5 e 7 crescendo em temperatura de ateacute 40 degC As estirpes

estudadas foram isoladas de regiotildees tropicais nodulam e fixam N2 com P vulgaris L

Leucaena esculenta e L leucocephala

A estirpe IIB CIAT 899 (= ATCC 49672 = UMR 1899 = SEMIA 4077) foi

designada como estirpe padratildeo (ldquotype strainrdquo) e a estirpe representativa do grupo IIA eacute

a CFN 299 A estirpe CIAT 899 assim como as outras do Tipo IIB tambeacutem eacute resistente

a metais pesados e aos antibioacuteticos clorofenicol espectinomicina carbenicilina e

estreptomicina (Martiacutenez-Romero et al 1991) e apresenta maior toleracircncia agrave acidez

(Graham et al 1994) e a temperaturas elevadas (Hungria et al 1993 Mercante et al

2002) Somente as estirpes do Tipo IIB crescem em meio Luria-Bertani (LB) (Martiacutenez-

Romero et al 1991) Alguns estudos tecircm descrito diferenccedilas entre os Tipos IIA e IIB

incluindo anaacutelise de PCR com sequumlecircncias repetitivas como REP ERIC BOX (van

Berkum et al 1996) e a presenccedila de megaplasmiacutedeos (Geniaux et al 1995)

13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa

Haacute uma grande diversidade de bacteacuterias capazes de formar simbioses com as

diferentes leguminosas sendo que ateacute o momento encontram-se distribuiacutedas dentro de

trecircs ramos filogeneacuteticos principais que satildeo os gecircneros Bradyrhizobium Azorhizobium e

os chamados rizoacutebios de crescimento raacutepido Estes atualmente encontram-se divididos

em trecircs gecircneros Rhizobium Mesorhizobium e Sinorhizobium sendo que R galegae

deve ser brevemente renomeado como um novo gecircnero (Young amp Haukka 1996

Lindstroumlm et al 1998) O rizoacutebio induz em suas hospedeiras a formaccedilatildeo de estruturas

especializadas chamadas noacutedulos onde o nitrogecircnio molecular eacute reduzido a amocircnia

Os estudos tecircm demonstrado o alto grau de especializaccedilatildeo desenvolvido durante o

processo evolutivo desta simbiose havendo importantes relaccedilotildees de especificidade e

grandes possibilidades de manipulaccedilatildeo deste conhecimento visando melhorar a

eficiecircncia simbioacutetica Devido agrave sua importacircncia econocircmica os estudos da interaccedilatildeo

rizoacutebio-leguminosas tem tido um bom suporte econocircmico quando comparado agraves demais

aacutereas de pesquisa agronocircmica em diversas partes do mundo sendo que atualmente eacute

a interaccedilatildeo planta-microrganismo mais bem estudada (Straliotto amp Rumjanek1999)

Sob condiccedilatildeo de limitaccedilatildeo de nitrogecircnio mineral as bacteacuterias do gecircnero

Rhizobium Bradyrhizobium Mesorhizobium Sinorhizobium Allorhizobium

coletivamente chamadas de riacutezoacutebio formam noacutedulos simbioacuteticos nas raiacutezes de

leguminosas Nos anos recentes outras α-proteobacterias tem sido apresentadas como

produtoras de noacutedulos em leguminosas (Moullin et al 2002) Methylobacterium (Sy et

al 2001) Blastobacter (Van Berkun e Eardly 2002) e Devosia (Rivas et al 2002)

Nestes noacutedulos simbioacuteticos a bacteacuteria na forma de bacteroacuteides convertem o N

atmosfeacuterico em amocircnia que eacute incorporada em diversas formas de N orgacircnico para a

utilizaccedilatildeo por plantas da famiacutelia das leguminosas

O nitrogecircnio eacute o elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de

79 ) estando presente principalmente na forma diatocircmica (N2) e eacute um dos principais

macronutrientes dos vegetais Algumas bacteacuterias que coexistem em simbiose ou natildeo

nas raiacutezes de plantas possuem enzimas com a capacidade de reduccedilatildeo do nitrogecircnio

atmosfeacuterico transformando-o em amocircnia e posteriormente em elementos essenciais

(Lodeiro et al 2000)

As leguminosas tecircm ao seu dispor duas fontes de nitrogecircnio o mineral

proveniente do solo eou fertilizante e o nitrogecircnio fixado biologicamente atraveacutes da

simbiose com os rizoacutebios Entretanto a subida vertiginosa dos preccedilos dos adubos

nitrogenados devido ao consumo de energia foacutessil em sua fabricaccedilatildeo aliada aos graves

problemas de poluiccedilatildeo causados pelo uso intensivo desses adubos tem deixado agrave

agricultura dos paiacuteses em desenvolvimento e dos desenvolvidos apenas as alternativas

de maximizar a fixaccedilatildeo bioloacutegica de nitrogecircnio otimizar a distribuiccedilatildeo e emprego dos

compostos nitrogenados dentro das plantas e tornar mais eficiente a utilizaccedilatildeo de

carboidratos pelos noacutedulos (Neves 1992)

O crescimento e a produccedilatildeo das leguminosas satildeo pelo menos em parte o

resultados da interaccedilatildeo entre as cultivares das plantas as estirpes de Rhizobium e as

condiccedilotildees ambientais em que o sistema simbioacutetico se desenvolve e que afetam a

assimilaccedilatildeo distribuiccedilatildeo e utilizaccedilatildeo do carbono e nitrogecircnio pelas plantas A

disponibilidade de nitrogecircnio para as sementes em desenvolvimento determina a

produccedilatildeo e depende de uma fixaccedilatildeo de nitrogecircnio que se prolongue ateacute o periacuteodo de

enchimento dos gratildeos (Neves amp Rumjanek 1995 Rumjanek et al 2002)

As plantas dependentes da fixaccedilatildeo bioloacutegica do N requerem mais fosfato (P) que

as plantas que usam exclusivamente N mineral Os niacuteveis baixos de P podem afetar a

simbiose ao diminuir o suplemento de fotossintato ao noacutedulo reduzir a taxa de

crescimento bacteriano e a populaccedilatildeo total de Rhizobium e Bradyrhizobium (Keyser amp

Munns 1979)

A fixaccedilatildeo bioloacutegica do nitrogecircnio dar-se-aacute mediante a presenccedila de noacutedulos nas

raiacutezes induzidos pela infecccedilatildeo das raiacutezes pelas bacteacuterias (Uribe 1994) O

desenvolvimento dos noacutedulos seratildeo iniciados pela troca de sinais quiacutemicos moleculares

entre a planta e o simbionte (Singleton et al 1992 Hungria et al 2000)

Os noacutedulos e a planta hospedeira satildeo perfeitamente interligados por meio de

vasos xilemaacuteticos e floemaacuteticos e portanto totalmente integrados em termos hormonais

e nutricionais O processo de fixaccedilatildeo do nitrogecircnio tambeacutem requer um suprimento

contiacutenuo de carboidratos que fornecem tanto a energia para a reduccedilatildeo do nitrogecircnio

quantos os esqueletos de carbono necessaacuterios agrave assimilaccedilatildeo da amocircnia produzida

Durante os processos de infecccedilatildeo e desenvolvimento dos noacutedulos energia eacute

necessaacuteria agraves divisotildees celulares e eacute obtida da oxidaccedilatildeo dos carboidratos produzidos

na parte aeacuterea da planta hospedeira (Neves 1992 Silveira et al 2001 Moreira amp

Siqueira 2006)

Devido agrave existecircncia de uma grande diversidade de espeacutecies nativas de bacteacuterias

fixadoras de nitrogecircnio eacute necessaacuteria a obtenccedilatildeo de estirpes de Rhizobium de alta

qualidade capazes de sobreviver e competir pela fixaccedilatildeo eficiente do nitrogecircnio

atmosfeacuterico na leguminosa alvo (Moawad et al 1998 Silveira et al 2001 Figueiredo et

al 2001 2002)

A nodulaccedilatildeo eacute um processo de multi-passos que envolvem plantas especiacuteficas e

expressatildeo geneacutetica bacteriana compatiacutevel Os resultados de vaacuterias trabalhos tecircm

indicado a participaccedilatildeo de mediadores quiacutemicos no periacuteodo inicial do processo de

infecccedilatildeo das raiacutezes das leguminosas Flavonoides especiacuteficos satildeo reconhecidos pelo

rizoacutebio e em alguns casos este eacute um importante aspecto de reconhecimento do

hospedeiro Se o flavonoide for reconhecido ocorreraacute a siacutentese de sacariacutedeos nas

ceacutelulas bacterianas atraveacutes da accedilatildeo de vaacuterios produtos de genes e resultando a

produccedilatildeo de uma pequena famiacutelia de lipo-oligossacariacutedeos A estrutura dos tipos de

lipo-oligossacariacutedeos eacute o maior determinante da especificidade do hospedeiro

(Laeremans amp Vanderleyden 1998 Diouf et al 2000 Dakora 2003)

14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio

Biopoliacutemeros satildeo polissacariacutedeos microbianos tambeacutem conhecidos como gomas ou

exopolissacariacutedeos (EPS) que tem a capacidade de fornar geacuteis e soluccedilotildees viscosas em

meio aquoso (Moreira et al 2003) Tendo sido observados nas uacuteltimas deacutecadas

progressos significativos em relaccedilatildeo agrave identificaccedilatildeo caracterizaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo de

polissacariacutedeos sintetizados por microrganismos (Padilha 1997)

Kay et al (1993) enfatizam que os biopoliacutemeros satildeo na sua maioria compostos

atoacutexicos biodegradaacuteveis produzidos extracelularmente por microrganismos natildeo

patogecircnicos a partir de fermentaccedilotildees em batelada com eficiecircncia proacutexima a 50 na

conversatildeo do substrato

O termo goma tal como usado tecnicamente pelas induacutestrias refere-se aos

polissacariacutedeos de origem vegetal ou microbiana e seus derivados de alto peso

molecular que quando solubilizados em aacutegua fria ou quente produzem suspensotildees ou

soluccedilotildees viscosas podendo formar geacuteis a baixas concentraccedilotildees (Lopes 1989 Whistler

amp BeMiller 1993)

As bacteacuterias Gram-negativas apresentam a parede celular mais fina consequumlecircncia

da menor quantidade de peptidoglicano em comparaccedilatildeo agraves Gram-positivas e tem

como maior componente um macropoliacutemero denominado lipopolissacariacutedeo A

presenccedila do lipopolissacariacutedeo fornece uma barreira hidrofiacutelica agrave superfiacutecie celular Em

muitas bacteacuterias a hidrofilicidade da superfiacutecie celular eacute aumentada pela presenccedila de

uma camada de EPS O EPS pode estar organizado de modo a formar uma camada

coesiva e aderente denominada ldquocaacutepsulardquo ou consistir em um polissacariacutedeo livre e

ldquomucilaginosordquo (slime) com pouca ou nenhuma aderecircncia celular O termo EPS ou

exopolissacariacutedeo pode ser usado tanto para descrever o polissacariacutedeo mucilaginoso

como o capsular (Portilho 2002)

Vaacuterias bacteacuterias pertencentes agrave famiacutelia Rhizobiaceae satildeo produtoras de EPS na

cultura esses EPS rizobianos satildeo heteropolissacariacutedeos de espeacutecie ou estirpe-

especiacuteficos compostos de diferentes tipos de monossacariacutedeos (Becker amp Puumlhler

1998) Existem evidecircncias de que a composiccedilatildeo de EPS varia natildeo soacute entre os diversos

gecircneros mas tambeacutem com mudanccedilas no meio ambiente bacteriano (Karr et al 2000)

e alteraccedilotildees na constituiccedilatildeo das unidades repetitivas podem afetar a habilidade

simbioacutetica do bacterioacuteide (Wielbo et al 2004) Poreacutem os mecanismos de

desenvolvimento simbioacutetico e de infecccedilatildeo ainda natildeo estatildeo claros e por isso existe

contiacutenuo interesse em se elucidar a geneacutetica a biologia molecular e a bioquiacutemica de

EPS e de superfiacutecie de origem bacteriana

Os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tais como

succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997) tecircm sido extensivamente

estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose Muitos

trabalhos tecircm sido desenvolvidos com o objetivo de revelar a composiccedilatildeo quiacutemica a

biossiacutentese e informaccedilotildees geneacuteticas destas biomoleacuteculas e relacionar suas estruturas

quiacutemicas agraves propriedades de infestaccedilatildeo das bacteacuterias nas plantas hospedeiras (Canter

Cremers et al 1991) uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da

especificidade simbioacutetica (Gil-Serrano et al 1992)

Os EPSs segundo Costerton (1987) possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes

proacuteximos agrave bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988)

Rhizobia de raacutepido crescimento sintetizam diferentes EPS EPS de alta massa

molecular o qual eacute excretado para o meio e resulta no aumento da viscosidade do

meio de cultivo CPS neutro e insoluacutevel depositado como uma massa volumosa ao

redor da ceacutelula e β-1 2-glucanas ciacuteclicas acumuladas no espaccedilo periplasmaacutetico e

excretadas para o meio (Zevenhuizen 1986) Os EPS despertam maior interesse

porque podem ser recolhidos diretamente do meio para o qual satildeo secretados Esses

microrganismos podem tambeacutem formar glucanas neutras unidas glicosidicamente por

ligaccedilotildees tipo β-14 presentes como microfibrilas celuloacutesicas de baixo massa molecular

(Zevenhuizen1986 Breedveld et al 1993) e algumas vezes no meio de cultura

podem ser encontrados compostos de baixa massa molecular semelhantes aos das

unidades monomeacutericas do EPS (Breedveld et al 1990)

A siacutentese de EPS aacutecido CPS neutro e poli-β-hidroxibutirato (PHB) por Rhizobium

eacute fortemente dependente das condiccedilotildees de cultivo das linhagens utilizadas assim

como da fase de crescimento levando a resultados que podem variar

consideravelmente (Zevenhuizen 1981 1986 Tombolini amp Nuti 1989) A produccedilatildeo de

EPS por Rhizobium leguminosarum R phaseoli e R trifolii segue associada ao

crescimento enquanto que R meliloti excreta principalmente polissacariacutedeos de baixa

massa molecular quando a proliferaccedilatildeo celular estaacute limitada pela falta de nitrogecircnio em

excesso de fonte de carbono ainda presente no meio

Zevenhuizen (1986) investigando a influecircncia das condiccedilotildees de cultivo nas

quantidades de EPS CPS e glucanas sintetizadas por Sinorhizobium meliloti TA-1

atraveacutes de cultivos em meio de sais contendo aacutecido glutacircmico (01 ) e manitol (1 )

em frascos de 100 mL agitados a 25 ordmC verificou que determinadas condiccedilotildees

direcionavam a siacutentese polissacariacutedica para um produto especiacutefico A produccedilatildeo de EPS

era favorecida em ar saturado com O2 a de CPS sob condiccedilotildees limitantes de nitrogecircnio

e moderado suprimento de O2 e a produccedilatildeo de β-12-glucanas em meio contendo uma

concentraccedilatildeo quatro vezes maior da fonte de nitrogecircnio produzindo uma alta

densidade celular e consequentemente uma limitaccedilatildeo severa de O2

Em todas as linhagens o acuacutemulo de glicogecircnio celular β-12-glucana e PHB

satildeo apenas iniciados sob condiccedilotildees limitantes do crescimento celular (Zevenhuizen amp

Ebbink1974) Quando haacute exaustatildeo da fonte de carbono externa glicogecircnio e PHB satildeo

metabolizados pelas ceacutelulas sustentando assim sua longevidade e atuando como

material de reserva (Zevenhuizen1981)

Ceacutelulas de R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii sintetizam EPS contendo

aacutecido urocircnico PHB eou glicogecircnio e ainda CPS natildeo metabolizaacutevel e pequenas

quantidades de β-12-glucana R melioti sintetiza EPS livre de aacutecido urocircnico PHB eou

glicogecircnio e elevadas concentraccedilotildees de β-12-glucana (Zevenhuizen 1981)

EPS aacutecidos elaborados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium apresentam exceto

por pequenas diferenccedilas uma viscosidade extraordinaacuteria na composiccedilatildeo e nas

propriedades estruturais entre linhagens de diferentes espeacutecies (Zevenhuizen

19711973 e Zevenhuizen amp Scholten-Koerselman1979) Os dois tipos mais comuns de

EPS de rizoacutebio (espeacutecies de raacutepido crescimento) obtidos apoacutes a precipitaccedilatildeo com 3

volumes de etanol satildeo EPS (da S meliloti) sem aacutecido urocircnico e que apresenta na

composiccedilatildeo molar D-glucose D-galactose aacutecido piruacutevico (711) denominado de

polissacariacutedeop Tipo I e EPS (da R leguminosarum bv phaseoli e bv trifolii) com

composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactoseaacutecido D-glucurocircnicoaacutecido piruacutevico (5122)

denominado de polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen1981)

As fraccedilotildees polimeacutericas precipitaacuteveis com trecircs volumes de etanol satildeo produtos de

elevada massa molecular com caraacuteter aacutecido os quais resultam em soluccedilotildees aquosas

altamente viscosas Polissacariacutedeos do Tipo I satildeo produtos comuns excretados de

linhagens de S meliloti e de Agrobacterium (Hisamatsu et al1982) sendo tambeacutem

sintetizados por bacteacuterias de origem totalmente diferente tal como Alcaligenes faecalis

(Harada amp Amemura 1981) S melioti sintetiza geralmente um EPS de elevada massa

molecular do tipo succinoglicana com a composiccedilatildeo glucose galactose piruvato

succinato acetato (71111) (Cinquini Dantas 1992 Matulovaacute et al 1994 Ridoult et

al1997)

Algumas linhagens de Rhizobium apresentam composiccedilotildees de EPS desviadas

dos tipos mais comuns mencionados acima tais como R leguminosarum bv phaseoli

linhagem K-82 com EPS de composiccedilatildeo molar D-glucoseD-galactose aacutecido urocircnico

aacutecido piruacutevico (1111) e S meliloti SU-234 que produz EPS correspondente ao

polissacariacutedeo Tipo II (Zevenhuizen 1981)

Um consideraacutevel nuacutemero de polissacariacutedeos produzidos por muitas linhagens de

rizoacutebio natildeo estaacute disperso livremente no meio mas sim presente como um material

viscoso amorfo ao redor da ceacutelula Tais polissacariacutedeos como a curdlana podem ser

extraiacutedos com a simples adiccedilatildeo de NaOH 05 M seguida de precipitaccedilatildeo pela

neutralizaccedilatildeo com HCl Curdlana uma β-13-glucana linear gelificante pode ser

produzida por Agrobacterium e por algumas linhagens de Rhizobium (Harada amp

Amemura 1981 Zevenhuizen 1986) assim como pela bacteacuteria Alcaligenes faecalis

bv myxogenes (Harada et al 1966 Phillips et al1983 Lawford amp Rousseau1989) O

derivado sulfatado deste homopoliacutemero apresenta atividades anticoagulantes e

antitromboacuteticas aleacutem de exibir efeito inibitoacuterio agrave infecccedilatildeo in vitro do viacuterus HIV-1

(Jagodzinsski et al 1994) Aleacutem dos polissacariacutedeos neutro e aacutecido de elevada massa

molecular as espeacutecies de Rhizobium assim como bacteacuterias do gecircnero Agrobacterium

excretam carboidratos de baixa massa molecular os quais tem sido caracterizados

como β-12-glucanas (York et al 1980) Estas glucanas se acumulam

preferencialmente no espaccedilo periplaacutesmico da ceacutelula (Abe et al 1982) mas satildeo

tambeacutem excretadas para o meio juntamente com EPS aacutecidos Aparentemente estes

carboidratos natildeo apresentam uma funccedilatildeo especiacutefica uma vez que experimentos

realizados natildeo sugerem a sua utilizaccedilatildeo como fonte de carbono ou de energia pelas

ceacutelulas apoacutes a exaustatildeo da fonte de carbono exoacutegena Entretanto acredita-se que β-

12-glucanas sejam importantes durante processo de infestaccedilatildeo de raiacutezes de plantas

Ceacutelulas mutantes de S meliloti natildeo sintetizadoras de β-12-glucanas induziram somente

a formaccedilatildeo de pseudonoacutedulos em alfafa (Breedveld et al1990)

As β-12-glucanas ciacuteclicas satildeo moleacuteculas com grande potencial de utilizaccedilatildeo

dado o espaccedilo interno relativamente hidrofoacutebico podendo ser apropriadas como

agentes de inclusatildeo comparaacuteveis agraves ciclodextrinas constituiacutedas de 6 a 8 resiacuteduos de

glucose unidos por ligaccedilotildees α-14 Os espaccedilos internos de ambas as moleacuteculas satildeo

praticamente semelhantes Contudo a solubilidade da β-12-glucana ciacuteclica eacute maior em

relaccedilatildeo agrave ciclodextrinas (Breedveld et al 1990)

Glicogecircnio e PHB estatildeo presentes nas ceacutelulas de Rhizobium sendo que

algumas vezes ocorre separadamente em diferentes linhagens mas na sua maioria

ambos os compostos aparecem juntos em ceacutelulas de uma mesma linhagem

Vaacuterios biopoliacutemeros tem sido produzidos e utilizados comercialmente entre eles

Dextrana (produzida por bacteacuterias dos gecircneros Leuconostoc e Streptococcus) Xantana

(produzida por bacteacuterias do gecircnero Xanthomonas) Curdulana (produzida pelas

bacteacuterias Alcaligenes faecalis bv mixogenes e Agrobacterium radiobacter) Alginato

bacteriano (produzido por bacteacuterias dos gecircneros Azotobacter principalmente

Azotobacter vinelandii e Pseudomonas) Zanflo (produzido pela bacteacuteria Erwinia

tahitica) Gelana (produzida pela bacteacuteria Sphingomonas paucimobilis anteriormente

classificada como Pseudomonas elodea) Welana (produzida por espeacutecies de

Alcaligenes) Escleroglucana (produzida por diferentes espeacutecies de Sclerotium)

Pululana (produzida pelo fungo Aureobasidium pullulans) Celulose bacteriana

(produzida pela bacteacuteria Acetobacter xilinum) (Sutherland 1992 Martins amp Saacute-Correia

1993 Giavasis el al 2000 Maugeri 2001 Giavasis et al 2003 Kalogiannis et al

2003 Campbell et al 2003)

Outros biopoliacutemeros que estatildeo em estudo natildeo sendo produzidos em escala

industrial podem ser citados tais como indicana (produzida por Beijerinckia indica)

emulsana (produzida por Acinetobacter calcoaceticus) pululana (produzida pela

levedura Rhodotorula bacarum) ciclossoforanas (produzidas por Rhizobium

Agrobacterium e algumas espeacutecies de Xanthomonas) clairana (produzida por

Beijerinckia sp) diutana (produzida pelo gecircnero Sphingomonas) (Maugeri 2001

Navarrete amp Shah 2001 Chi amp Zhao 2003 Moreira et al 2003) Ateacute o momento

dextrana e xantana satildeo praticamente os uacutenicos polissacariacutedeos microbianos

comercializados em larga escala A goma gelana eacute o terceiro polissacariacutedeo produzido

comercialmente por biossiacutentese microbiano utilizado na induacutestria de alimentos

(Maugeri 2001)

15 Reologia

A etmologia da palavra rheologia tem raiz e busca significado nos vocaacutebulos

gregos rheo = deformaccedilatildeo e logia = ciecircncia ou estudo Portanto reologia eacute a ciecircncia

que estuda como a mateacuteria se deforma ou escoa quando submetida a esforccedilos

originados por forccedilas externas Schlumberger (1982) Estuda o comportamento

deformacional e do fluxo de mateacuteria submetido a tensotildees sob determinadas condiccedilotildees

termodinacircmicas ao longo de um intervalo de tempo Inclui propriedades como

elasticidade viscosidade e plasticidade No caso mais simples a propriedade reoloacutegica

de interesse no caso de soacutelidos eacute a sua elasticidade e nos fluidos eacute a viscosidade que

pode ser interpretada como a resistecircncia interna ou fricccedilatildeo interna do fluido oferece

para escoar ou tambeacutem como a medida da fricccedilatildeo interna de um fluiacutedo Quanto mais

viscosa o fluido mais difiacutecil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade

(Pasquel1999)

As propriedades reoloacutegicas das soluccedilotildees de poliacutemeros mudam com a natureza

do soluto dependem da massa molecular meacutedia da estrutura molecular dos grupos

acetil ou piruvato (Casas et al 2000 Moradi-Araghi 2000 Diltz amp Zeller 2001

Navarrete et al 2001)

Viscoelasticidade eacute uma das propriedades reoloacutegicas mais simples de

substacircncias de comportamento reoloacutegico complexo como satildeo os biopoliacutemeros uma

vez que soluccedilotildees de biopoliacutemeros com interesse de aplicaccedilatildeo comercial exibem

propriedades viscoelaacutesticas isto eacute a capacidade de formar geacuteis verdadeiros em baixas

concentraccedilotildees e portanto com caracteriacutesticas intermediaacuterias entre soacutelidos e fluiacutedos

(Szczesniak 1993)

Entretanto uma das importantes indicaccedilotildees de que um biopoliacutemero tem

propriedades funcionais com viabilidade de aplicaccedilatildeo comercial como agente

espessante estruturante ou gelificante eacute o resultado da medida da viscosidade

aparente de suas soluccedilotildees aquosas (Szczesniak 1993)

A viscosidade de uma soluccedilatildeo polimeacuterica eacute uma funccedilatildeo do tamanho e da forma e

conformaccedilatildeo que adotam suas moleacuteculas no solvente sendo que no caso de alimentos

e bebidas o solvente eacute uma soluccedilatildeo de outros solutos Assim sendo as soluccedilotildees das

gomas satildeo dispersotildees de moleacuteculas hidratadas eou agregados de moleacuteculas

hidratadas e seu comportamento reoloacutegico eacute determinado pelo tamanho forma

facilidade de deformaccedilatildeo ou flexibilidade e presenccedila e magnitude da carga eleacutetrica

nessas moleacuteculas hidratadas eou agregados As soluccedilotildees de polissacariacutedeos exibem

dois tipos gerais de comportamento reoloacutegico pseudoplaacutestico e tixotropia As soluccedilotildees

da maioria das gomas experimentam uma diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da

temperatura sendo que a goma xantana eacute uma exceccedilatildeo entre 0 e 100 ordm C (Pasquel

1999)

Na Viscoelasticidade os liacutequidos viscosos natildeo possuem forma geomeacutetrica

definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forccedilas externas Por outro

lado os soacutelidos elaacutesticos apresentam forma geomeacutetrica bem definida e se deformados

pela accedilatildeo de forccedilas externas assumem outra forma geomeacutetrica de equiliacutebrio Muitos

materiais apresentam um comportamento mecacircnico intermediaacuterio entre estes dois

extremos evidenciando tanto caracteriacutesticas viscosas como elaacutesticas e por este

motivo satildeo conhecidos como viscoelaacutesticos

Quanto agrave deformaccedilatildeo os fluidos podem ser classificados em

Reversiacuteveis ou elaacutesticos satildeo sistemas que natildeo escoam sua deformaccedilatildeo eacute

reversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Hooke

Irreversiacuteveis ou viscosos satildeo sistemas que escoam sua deformaccedilatildeo eacute

irreversiacutevel e o sistema obedece agrave Lei de Newton de viscosidade constante

Tambeacutem podem ser classificados quanto agrave relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a

tensatildeo de cisalhamento

Fluidos Newtonianos sua viscosidade eacute constante seguem a Lei de

Newton Esta classe abrange todos os gases e liacutequidos natildeo polimeacutericos e

homogecircneos A relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de cisalhamento

eacute linear e o coeficiente angular da reta eacute a viscosidade (Severs 1962)

Ex aacutegua leite soluccedilotildees de sacarose oacuteleos vegetais

Fluidos Natildeo Newtonianos a relaccedilatildeo entre a taxa de deformaccedilatildeo e a tensatildeo de

cisalhamento natildeo eacute constante A relaccedilatildeo eacute natildeo linear e o coeficiente angular

(viscosidade) varia com a taxa de deformaccedilatildeo (Severs 1962)

Aleacutem disso os fluidos natildeo newtonianos ainda podem ser classificados em

viscoelaacutesticos dependentes e independentes do tempo (Figura 1)

A Figura 2 mostra o comportamento reoloacutegicos do fluido newtoniano e dos fluidos

natildeo newtonianos independentes do tempo

O comportamento reoloacutegico dos fluidos pode ser caracterizado atraveacutes da

relaccedilatildeo entre a tensatildeo de cisalhamento (forccedilaaacuterea cisalhada) e a taxa de deformaccedilatildeo

Normalmente os poliacutemeros em soluccedilatildeo diluiacuteda demonstram um comportamento de

liacutequido newtoniano Em soluccedilatildeo concentrada ou no estado fundido os poliacutemeros

apresentam um comportamento reoloacutegico distinto que lhes confere a denominaccedilatildeo de

fluidos natildeo-newtonianos (Tager 1978)

Dependentes do tempo

Independentes do tempo

Tixotroacutepicos

Sem tensatildeo de cisalhamento

inicial

Natildeo Newtoniano

Com tensatildeo de cisalhamento

inicial

Dilatantes

Herschel-Bulkley

Fluidos

Newtoniano

Viscoelaacutesticos

Reopeacuteticosticos

Pseudoplaacutesticos

Plaacutesticos de Bingham

Figura 1 Classificaccedilatildeo dos Fluidos segundo seu comportamento reoloacutegico

Figura 2 Curvas de escoamento de fluidos newtoniano e natildeo newtonianos de propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo independentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados

viscoplaacutesticos ou de Bingham dilatante e pseudoplaacutesticos

Os materiais viscoplaacutesticos ou de Bingham necessitam de uma tensatildeo inicial

para comeccedilarem a deformaccedilatildeo cisalhamento mantendo entatildeo a relaccedilatildeo entre tensatildeo

e taxa de deformaccedilatildeo que pode ser constante ou natildeo Em soluccedilotildees de poliacutemeros de

alto peso molecular muitas vezes uma tensatildeo de cisalhamento miacutenima se faz

necessaacuteria a fim de vencer as interaccedilotildees intermoleculares existentes Soacute apoacutes o

colapso destas ligaccedilotildees ocorre o escoamento do fluido Como exemplos destes fluidos

podem ser citados a margarina polpa de papel e a maioria das tintas (Bretas 1987)

Os materiais com comportamento dilatante ou pseudoplaacutestico natildeo necessitam de

uma tensatildeo miacutenima para escoarem mas a viscosidade destes fluidos varia de forma

natildeo linear com a taxa de deformaccedilatildeo (Cheremisinoff 1993)

Os materiais pseudoplaacutesticos incluem a maioria dos fluidos natildeo-newtonianos

como por exemplo soluccedilotildees polimeacutericas acetato de celulose maionese suspensotildees

de polpa de papel e pigmentos (Cheremisinoff 1993) A maioria dos poliacutemeros

sinteacuteticos no seu estado fundido e das soluccedilotildees aquosas de polissacariacutedeos satildeo

exemplos de materiais pseudoplaacutesticos (Lopes 1989)

O termo dilatacircncia eacute empregado normalmente para descrever tanto uma

expansatildeo de volume sob cisalhamento como para caracterizar o aumento de

viscosidade de certos fluidos com o aumento da velocidade de cisalhamento Neste

uacuteltimo aspecto a dilatacircncia eacute observada como fenocircmeno inverso agrave pseudoplasticidade

(Bauer amp Collins 1967) O comportamento dilatante pode ser observado em

suspensotildees muito concentradas em que as partiacuteculas constituintes satildeo irregulares e

natildeo se orientam facilmente ou em poliacutemeros fundidos onde haacute formaccedilatildeo de cristais

durante o processo de escoamento (Lopes e Andrade 1991) Como exemplos de

dilatantes podemos citar as suspensotildees aquosas de dioacutexido de titacircnio suspensotildees de

amido de milho em etilenoglicolaacutegua goma araacutebica areia de praia molhada entre

outros (Lopes e Andrade 1991 Cheremisinoff 1993)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os fluidos natildeo-newtonianos cujas propriedades reoloacutegicas satildeo dependentes do

tempo temos diversos tipos de comportamento de materiais que satildeo denominados de

reopeacuteticos e tixotroacutepicos Materiais que se tornam mais viscosos durante a

transformaccedilatildeo em cisalhamento suave satildeo chamados reopeacuteticos exibem um aumento

da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento a uma velocidade de

cisalhamento constante (suspensatildeo de gesso solos) e os que se tornam menos

viscosos satildeo chamados tixotroacutepicos (tinturas vaacuterios lubrificntes) (Cheremisinoff 1993)

Os materiais tixotroacutepicos satildeo inevitavelmente pseudoplaacutesticos mas nem todo

pseudoplaacutestico eacute tixotroacutepico (Lenk 1978)

Uma outra categoria de fluidos natildeo-newtoniano eacute representada pelos fluidos

viscoeslaacutesticos Um material eacute descrito como viscoelaacutestico quando em suas

propriedades mecacircnicas parte da energia eacute armazenada e outra parte eacute dissipada

como calor Na verdade todos os corpos reais satildeo viscoelaacutesticos (Graessley 1984)

Um fluido viscoelaacutestico em equiliacutebrio quando submetido agrave uma tensatildeo cisalhante

responde de dois modos sobrepostos Primeiro o material exibe uma resposta elaacutestica

que corresponde ao deslocamento das moleacuteculas de sua posiccedilatildeo inicial para uma nova

posiccedilatildeo de equiliacutebrio Isto ocorre logo apoacutes a aplicaccedilatildeo da tensatildeo e eacute chamado de

tempo de relaxamento O segundo modo de resposta agrave tensatildeo eacute o escoamento viscoso

iniciando-se tambeacutem logo que esta eacute aplicada O escoamento viscoso eacute por

conseguinte irreversiacutevel espontaneamente podendo continuar mesmo apoacutes o aliacutevio da

tensatildeo (Tager 1978) Como exemplos desta classe de fluiacutedos poliacutemeros como o

naacuteilon vaacuterias soluccedilotildees polimeacutericas e geleacuteias (Cheremisinoff 1993)

O estudo reoloacutegico de sistemas polimeacutericos tem auxiliado tanto na compreensatildeo

da estrutura molecular de muitos tipos de poliacutemeros quanto na forma como esta

conformaccedilatildeo estrutural afeta o comportamento reoloacutegico quer em condiccedilotildees

permanentes quer em deformaccedilatildeo intermitente A viscosidade e a elasticidade satildeo as

duas faces que tendem a caracterizar a maneira como um material reage a uma tensatildeo

imposta (Machado 2002)

A estrutura quiacutemica de cada biopoliacutemero bem como os grupos substituintes que

ele possui determinam suas caracteriacutesticas reoloacutegicas e portanto suas potenciais

aplicaccedilotildees (Pace 1991)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Os polissacariacutedeos microbianos variam consideravelmente em suas

propriedades fiacutesicas incluindo as caracteriacutesticas reoloacutegicas influenciando

marcadamente o processo fermentativo (Sutherland 1990)

2 JUSTIFICATIVA

A relevacircncia deste trabalho consiste na necessidade do desenvolvimento de

tecnologias de baixo custo capazes de melhorar os niacuteveis de produtividade do feijoeiro

podendo ser favorecido pelo estudo do comportamento da produccedilatildeo de polissacariacutedeos

por Rhizobium sp onde os resultados permitiratildeo avaliar a produccedilatildeo do biopoliacutemero

sintetizado como uma alternativa viaacutevel e promissora principalmente pelo uso de

bioproduto para formulaccedilatildeo de inoculante visando incrementar a contribuiccedilatildeo no

processo da Fixaccedilatildeo Bioloacutegica de Nitrogecircnio podendo gerar no futuro insumos

bioloacutegicos capazes de promover saltos qualitativos para a agricultura

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

3 OBJETIVOS 31 Geral Obter isolados de rizoacutebios para maior eficiecircncia no desenvolvimento da planta visando

selecionar microrganismos para produccedilatildeo de polissacariacutedeos extracelulares e que

possuam capacidade para produzir biopoliacutemero

32 Especiacuteficos

Estudo cineacutetico do cultivo de rizoacutebios para determinar as condiccedilotildees culturais que

assegurem uma produccedilatildeo eficiente de polissacariacutedeos

Determinar quais os melhores isolados produtores de polissacariacutedeo em meio

liacutequido (gL-1)

Estudar paracircmetros na produccedilatildeo de exopolissacariacutedeo formado pelas estirpes de

rizoacutebio tais como volume de inoacuteculo e o comportamento viscosimeacutetrico da

dispersatildeo do polissacariacutedeo

Avaliar a influecircncia do tempo na produccedilatildeo do polissacariacutedeo pelo

acompanhamento de consumo de substrato e de formaccedilatildeo do produto

Determinar a composiccedilatildeo quimica e a dosagem de sacarose das melhores

estirpes produtoras de polissacariacutedeo

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

5 CAPIacuteTULO 1

BIOPOLIacuteMEROS SINTETIZADOS POR Rhizobium sp PRODUCcedilAtildeO E COMPORTAMENTO REOLOacuteGICO

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2 Burity H A2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

Autor de correspondecircncia Maria do Carmo Silva Barreto Empresa Pernambucana de Pesquisa

Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE

Brasil E-mail mcsbarretogmailcom

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos

(EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado

potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores No entanto os polissacariacutedeos

sintetizados por bacteacuterias do grupo Rhizobium tem sido estudados na tentativa de

melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa X Rhizobium uma vez

que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica

entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute sendo investigada No

processo de produccedilatildeo e viscosidade de polissacariacutedeo a ser obtido deve-se considerar

desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo

tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia de carboidratos e volume de inoculo onde

se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na

composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo e viscosidade de

biopoliacutemeros obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe padratildeo

Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo O biopoliacutemero foi obtido

atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador agitador As condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96

e 168 horas em meio YM modificado Foram avaliados a produccedilatildeo pela massa seca

da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) atraveacutes da teacutecnica da massa seca e

apoacutes a secagem do produto foi realizada em dissecador agrave temperatura de 30 degC ateacute

massa constante Para medidas de viscosidade as amostras foram determinadas em

viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT Spindle 1) a 20 degC a diferentes taxas

de cisalhamento Os resultados mostraram que os isolados no tempo de fermentaccedilatildeo

de 168 horas apresentou maior produccedilatildeo de EPS Com o aumento do tempo tambeacutem

houve um aumento da viscosidade para todos os isolados

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos (EPS) reologia rizoacutebio

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ABSTRACT

The biopolymers are polysaccharide from microbial origin synthesized by bacteria fungi

and yeast They are also known as gums due to their capacity to produce viscous

solutions and gel in an acquoso medium The production of microbial Exopolysaccharide

(EPS) has been an object of intensive research due to its high application and potential

in different fields However the polysaccharide synthesized by bacteria from

Rhizobium have been studied to help understand their participation in the leguminous

symbiosis X Rhizobium since these biopolymers seem to determine the symbiotic

specificity however the precise function of those molecules are still to be seen to

During the process of production and viscosity of polysaccharide it should be

considered from the microorganism being studied to the determination of rotatory

parameters time of incubation excess or lack of carbohydrates and inocule volume in

which the production medium and its influence on the synthesis is highlighted in the

yield and composition of exopolysaccharides The aim of this research is to evaluate the

production and viscosity of biopolymers obtained form 8 isolated Rhizobium sp

compared to standard strain Rhizobium tropici (CIAT 899) in different culture timing The

biopolymer was obtained through rotation in shakers The conditions were 28degC

200rpm per 96 and 168 hours in modified YM medium The following items were

evaluated the production via dry weight of acquoso solution of biopolymers at 25

(vv) through the technique of dry weight and after drying the product which was done in

a dessicator at 30degC with constant weight For measuring viscosity the samples were

identified by using a rotational Brookfield (model RVT Spindle 1) viscometer at 20degC

and shear rate The results showed that the isolated ones had a bigger production within

168 hours of fermentation time Besides by increasing the time there was also an

increase of viscosity for all the isolated ones

Keywords Exopolysaccharide(EPS) rheology rhizobia

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

51 Introduccedilatildeo

Os biopoliacutemeros polissacariacutedicos de origem microbiana sintetizados por bacteacuterias

fungos e leveduras satildeo tambeacutem conhecidos como goma devido a sua capacidade de

formar soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso Esses polissacariacutedeos de cadeia

complexa tambeacutem satildeo conhecidos como gomas devido a sua capacidade de formar

soluccedilotildees viscosas e geacuteis em meio aquoso

Um grande nuacutemero de bacteacuterias conhecidas produz quantidades abundantes de

exopolissacariacutedeos (EPS) particularmente as patogecircnicas de plantas como as

Xanthomonas Erwinia e as bacteacuterias fixadoras de nitrogecircnio Rhizobium Beijerinkia e

Azotobacter (Vermani et al 1995) Destas os exopolissacariacutedeos de Xanthomonas

campestris (xantana) Sphingomonas paucimobilis e Pseudomonas elodea (gelana)

Acetobacter xylinum (celulose) e Rhizobium sp (succinoglucana) estatildeo sendo

comercializados (Sutherland 2001)

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium

tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose

leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes

da especificidade simbioacutetica entretanto a precisa funccedilatildeo destas moleacuteculas ainda estaacute

sendo investigada

Segundo Costerton (1987) os EPS possibilitam vida livre agrave bacteacuteria permitindo a

aderecircncia e colonizaccedilatildeo agrave superfiacutecies soacutelidas onde os nutrientes se acumulam Eles

envolvem as membranas das ceacutelulas protegendo-as do dessecamento e outros

estresses ambientais aleacutem de poder ajudar na fixaccedilatildeo de minerais e nutrientes proacuteximo

a bacteacuteria (Sutherland 1988 Whitfield 1988) Ainda segundo Costerton (1987) os

EPS podem ser homopoliacutemeros ou heteropoliacutemeros e possuem uma variedade de

substituintes natildeo carboidratados Entre os homopoliacutemeros encontrados em bacteacuterias

que interagem com plantas as mais comuns satildeo as glucanas periplasmaacuteticas β (1-2)

que estatildeo presentes em Rhizobiaceae (Otoboni 2001)

Os polissacariacutedeos bacterianos hidrossoluacuteveis vecircm sendo utilizados pelas induacutestrias

como emulsificantes estabilizantes espessantes agentes de suspensatildeo e dependendo

de sua natureza quiacutemica as gomas microbianas podem tambeacutem ser empregadas como

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

promotoras de gelificaccedilatildeo No entanto os polissacariacutedeos sintetizados por bacteacuterias do

gecircnero Rhizobium tais como succinoglicanas e galactoglucanas (Zevenhuizen 1997

Younes et al 2000) tecircm sido estudados na tentativa de melhor compreender sua

participaccedilatildeo na simbiose

A produccedilatildeo de EPS microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em

vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra

exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta

e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de

polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a

determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo tempo de incubaccedilatildeo excesso ou ausecircncia

de carboidratos e volume de inoacuteculo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua

influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS (Faria 2002)

Na literatura estatildeo descritos vaacuterios meios de produccedilatildeo entretanto a composiccedilatildeo

qualitativa eacute a mesma e cada suplemento apresenta uma determinada funccedilatildeo na

produccedilatildeo de polissacariacutedeo Basicamente os meios para produccedilatildeo de polissacariacutedeos

apresentam uma fonte de foacutesforo e potaacutessio (fosfato de potaacutessio) e nitrogecircnio (sulfato

de amocircnio) em concentraccedilotildees adequadas para o crescimento do microrganismo uma

fonte de carbono (glicose sacarose manose frutose e outras) como reserva energeacutetica

e ainda oligoelementos como Na1+ K1+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ e outros os quais tecircm um

papel importante como cofatores enzimaacuteticos nas vias de produccedilatildeo do polissacariacutedeo

(Martins et al 1990 Wong 1993 Madi et al 1997)

Soluccedilotildees de biopoliacutemeros bacterianos com propriedades reoloacutegicas interessantes

do ponto de vista industrial geralmente exibem propriedades pseudoplaacutesticas

viscoelaacutesticas e tensatildeo residual elevada (Sutherland 2001) poreacutem a viscosidade

aparente do caldo de fermentaccedilatildeo era o paracircmetro utilizado para avaliar a qualidade do

biopoliacutemero (Scamparini 1991 Bueno amp Garcia-Cruz 2000) Dos paracircmetros que

interferem na viscosidade dos poliacutemeros pode-se citar o tipo de estrutura molecular e

concentraccedilatildeo de poliacutemero A viscosidade da soluccedilatildeo aquosa de um polissacariacutedeo estaacute

diretamente relacionada com a rigidez de sua moleacutecula que por sua vez depende da

sua estrutura principalmente da estrutura primaacuteria e secundaacuteria a qual estaacute

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

diretamente relacionada agrave bacteacuteria utilizada e agraves condiccedilotildees operacionais do processo

de produccedilatildeo (Bradshaw et al 1983)

A seleccedilatildeo de microrganismos que produzam polissacariacutedeos com propriedades

funcionais economicamente interessantes bem como os estudos para otimizar o

rendimento e a produtividade dos processos fermentativos na obtenccedilatildeo destes eacute um

desafio constante (Boza 2002) A seleccedilatildeo da linhagem deveria ser o primeiro passo

quando se tenta um processo especiacutefico de produccedilatildeo

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a produccedilatildeo e

viscosidade de EPS obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp comparados com a estirpe

padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo

52 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970 -

modificado) contendo (gL-1) sacarose (30 g) extrato de levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de Azul de Bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de Vermelho

Congo a 025

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Inoacuteculo

As estirpes descritas na Tabela 1 foram purificadas por repicagem em placas de

petri contendo o meio YMA (Vincent 1970 - modificado) utilizando o corante vermelho

do congo como indicador Apoacutes a purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos

inclinados em meio de cultura sem o indicador vermelho de congo as quais foram

incubados a 28 degC por 48 horas em estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

Isolados

Estirpe

Tamanho

das colocircnias

Tempo

Crescimento (dias)

pH

Transparecircncia

Hospedeiro

Origem

ISOL-1

gt 1 mm

2

Alcalino

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-2

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-3

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-4

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-6

gt 1 mm

2

Alcalino

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-11

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-14

lt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

ISOL-16

gt 1 mm

2

Levemente

Aacutecido

Opaco

Phaseolus vulgaris

CIAT 899

gt 1 mm

2

Aacutecido

Transluacutecido

Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Tabela 1 Caracteriacutesticas morfofisioloacutegicas dos Isolados de rizoacutebios e da estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Produccedilatildeo e recuperaccedilatildeo de biopoliacutemero

A produccedilatildeo total dos biopoliacutemeros [g(Lh)-1] obtidos nos diferentes tempos de

cultivo foram avaliados pela massa do produto seco por volume de meio YM

modificado em Incubadora refrigerada com agitaccedilatildeo Modelo TE-421 TECNAL A

quantidade produzida de EPS durante a fermentaccedilatildeo foi determinada atraveacutes da

teacutecnica da massa seca Apoacutes centrifugaccedilatildeo aacutelcool etiacutelico PA foi adicionado ao mosto

fermentado ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada

Apoacutes a total precipitaccedilatildeo do EPS presente no meio fermentado foi realizado a secagem

do produto em dissecador agrave temperatura 30 degC ateacute massa constante Todas as

determinaccedilotildees foram efetuadas em triplicata

Viscosidade

A caracterizccedilatildeo reoloacutegica do biopoliacutemero produzido foi determinada em um

viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 1 a 20 degC acoplados a

um banho-maria termostatizado modelo TE-184 TECNAL Foram determinadas as

viscosidades aparentes e a avaliaccedilatildeo do comportamento pseudoplaacutestico As equaccedilotildees

e procedimentos especiacuteficos aplicados para os caacutelculos das taxas de cisalhamento em

funccedilatildeo da rotaccedilatildeo aplicada no material foram obtidos atraveacutes dos meacutetodos verificados

por Mitschka (1982) citado por Morais (1999) para reocircmetros deste modelo (RV)

O modelo reoloacutegico adotado foi de Ostwald-de Waele (power-law)

n

kibull

= γτ )(

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Pelo meacutetodo utilizado a tensatildeo de cisalhamento eacute calculada pela multiplicaccedilatildeo da

leituras de torque pela constante tabelada kat (funccedilatildeo do rotor) e a taxa de cisalhamento

pela constante kγ (funccedilatildeo do rotor e iacutendice da potecircncia) (Morais 1999)

)()( iLKi at=τ

)()()( iWnKi γγ =

Os valores das constantes das constantes de Mitschka se encontram na tabela 2

seguinte

Tabela 2 Valores das constantes kat e kγ (Mitshka 1982)

Rotor 1 2 3 4 5 6 7

kat 0035 0119 0279 0539 105 235 84

n=01 1728 1431 1457 1492 1544 1366 1936

02 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 0681

kγ 04 0576 0535 0530 0529 0528 0503 0515

05 0499 0458 0449 0445 0442 0421 0413

06 0449 0404 0392 0387 0382 0363 0346

07 0414 0365 0350 0343 0338 0320 0297

08 0387 0334 0317 0310 0304 0286 0261

09 0367 0310 0291 0283 0276 0260 0232

10 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Anaacutelise Estatiacutestica Para as anaacutelises individuais do experimento foi utilizado um delineamento

inteiramente casualizado com nove (n = 9) bacteacuterias e trecircs repeticcedilotildees (r =3) O modelo

matemaacutetico utilizado foi o aditivo linear

Yij = micro + bi + lij onde

Yij eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria na j-eacutesima

repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral do experimento

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

lij eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria e j-

eacutesima repeticcedilatildeo Considerando eij independente e normalmente distribuiacutedo com meacutedia

zero e variacircncia σe2

O esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia utilizado para os experimentos de 96

e 168 horas pode ser visto na Tabela abaixo

Para a anaacutelise de Grupo de experimentos foi utilizado o modelo matemaacutetico Yijk = micro + bi + ti + (bt)ik + lijk onde

Yijk eacute a variaacutevel resposta (produccedilatildeo de biopoliacutemero) da i-eacutesima bacteacuteria no k-eacutesimo

tempo da j-eacutesima repeticcedilatildeo

micro eacute a meacutedia geral dos experimentos

bi eacute o efeito da i-eacutesima bacteacuteria

tk eacute o efeito do k-eacutesimo tempo

(bt)ik eacute o efeito da interaccedilatildeo hierarquica da i-eacutesima bacteacuteria com o k-eacutesimo tempo

lijk eacute o componente aleatoacuterio (erro experimental ou resiacuteduo) para a i-eacutesima bacteacuteria do

k-eacutesimo tempo na j-eacutesima repeticcedilatildeo Considerando lijk independente e normalmente

distribuiacutedo com meacutedia zero e variacircncia σe2

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias

Resiacuteduos

1minusn

( )1minusrn

Total

1minusnr

sum=

minus

n

iCbir 1

21

Diferenccedila

CYij

r

j

n

iminussumsum

==

2

11

1Q

2Q

21

QQ

Tabela 3 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para experimentos em 96 e 168 horas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

O esquema teoacuterico da decomposiccedilatildeo da variacircncia utilizado pode ser visto na Tabela 3

1minusnrt

53 Resultados e Discussatildeo

Produccedilatildeo de biopoliacutemero

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados da anaacutelise de variacircncia e dos dados

meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemero

(gL-1) para os tempos de cultivo (96 e 168 horas) respectivamente

A Tabela 6 apresenta a produccedilatildeo meacutedia (gL-1) das fermentaccedilotildees realizadas em

triplicata para a produccedilatildeo do biopoliacutemero durante 96 e 168 horas de cultivo dos 8

isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 e a meacutedia do grupo de experimento das

mesmas Nesta observa-se que a produccedilatildeo maacutexima no periacuteodo de 168 horas de

processo ocorreu para todas as estirpes poreacutem a bacteacuteria CIAT 899 (padratildeo)

apresentou a maior produccedilatildeo em relaccedilatildeo aos demais tratamentos ( ISOL 14 ISOL 16 e

ISOL 3 ) pelo teste de Tukey a niacutevel de 1 de probabilidade Isto sugere que com o

aumento do tempo (168 horas) ocorre um aumento da produccedilatildeo o que mostra que a

Fonte de variaccedilatildeo

GL

SQ

QM

F

Bacteacuterias (B)

1minusn

_

1Q

41 QQ

Tempo (T) 1minust _ 2Q 42 QQ

Interaccedilatildeo (BxT) ( )( )11 minusminus tn _ 3Q

43

QQ

Resiacuteduo ( )1minusrnt _ 4Q

Tabela 4 ndash Esquema teoacuterico da anaacutelise de variacircncia para grupo de experimentos

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

condiccedilatildeo de 30 g de sacarose 200 rpm 168 horas e 28 degC eacute a condiccedilatildeo maximizada

para a produccedilatildeo do biopoliacutemero realizada neste estudo No entanto em relaccedilatildeo a

meacutedia das produccedilotildees de 96 e 168 horas a estirpe CIAT 899 natildeo apresentou diferenccedila

significativa pelo teste de Tukey (plt001) em relaccedilatildeo ao ISOL 14 A menor produccedilatildeo

de biopoliacutemero ocorreu com o ISOL 1

FV GL

Quadrado Meacutedio 96 horas

168 horas

Bacteacuteria

Resiacuteduo

8

18

04366

00099

08720

00213

Significacircncia ao niacutevel (plt001) para o teste de F CV () 1525 (96 horas) CV() 1420 (168 horas)

Bacteacuterias

Produccedilatildeo

(gL-1) 96 horas

Produccedilatildeo

(gL-1) 168 horas

Meacutedia Produccedilatildeo

(gL-1) 96 e 168 horas

CIAT 899 12520 a 18542 a 15531 a

ISOL 14 10575 ab 16608 ab 13592 a

ISOL 16 08237 bc 13225 bc 10731 ab

ISOL 3 08825 bc 11746 cd 10285 ab

ISOL 11 06241 cd 08463 d 07352 bc

ISOL 4 04958 de 09429 cd 07194 bc

ISOL 6 04029 def 08479 d 06254 bc

ISOL 2 02162 ef 03217 e 02690 c

ISOL 1 01229 f 02779 e 02004 c

Tabela 6 Dados meacutedios das anaacutelises individuais e do grupo de experimento da produccedilatildeo de biopoliacutemeros por Rhizobium sp

Tabela 5 Resultados da anaacutelise de variacircncia da produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium cultivados por 96 e 168 horas de cultivo

As meacutedias (3 repeticcedilotildees) seguidas de mesma letra natildeo diferem estatisticamente entre si pelo teste de Tukey (plt001) CV () 1525 (96 horas) CV () 1420 (168 horas) CV () 1487 (96 e 168 horas)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Entretanto sabe-se que a produccedilatildeo eacute influenciada pela linhagem do

microrganismo tempo e meio de fermentaccedilatildeo (Antunes et al 2000 Souza amp

Vendruscolo 2000 Torres et al 1993) Neste estudo a fonte de carbono utilizada como

substrato foi agrave sacarose que eacute bastante utilizada em experimentos de fermentaccedilatildeo As

fermentaccedilotildees foram realizadas com o meio de produccedilatildeo elaborado a partir do meio YM

(Vincent 1970) suplementado com uma dosagem maior de sacarose (30 gL) no intuito

de incrementar a produccedilatildeo das linhagens testadas

As bacteacuterias do gecircnero Rhizobium satildeo capazes de utilizar uma ampla gama de

produtos como fontes de carbono A literatura cita cultivos com glicose galactose

frutose arabinose xilose ramnose maltose sacarose lactose trealose rafinose

manitol furamato malato succinato citrato e piruvato (Jordan 1984) De todos estes

produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso economicamente

Segundo Sutherland (2002) a glicose e sacarose satildeo usadas como fontes de carbono

preferenciais para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros O rendimento da conversatildeo de

sacarose em ceacutelulas pelo R leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de

ceacutelulas por grama de sacarose (Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993a)

Padilha (2003) tambeacutem verificou que os resultados de fermentaccedilatildeo obtidos em

duas linhagens de Xanthomonas demonstraram a influecircncia do tempo de incubaccedilatildeo na

produccedilatildeo do biopoliacutemero onde a linhagem X axonopodis pv manihotis 289 apresentou

maior concentraccedilatildeo em ambas as condiccedilotildees testadas 72 e 96 horas 69 gL-1 e 79

gL-1 respectivamente em relaccedilatildeo agrave linhagem de X campestris pv campestris CA110

que produziu 63 gL-1 e 68 gL-1 respectivamente

Apoacutes a fermentaccedilatildeo os biopoliacutemeros foram purificados (por

centrifugaccedilatildeo) recuperados e avaliados visualmente para verificar as diferenccedilas

quanto agrave coloraccedilatildeo e estrutura das duas estirpes maiores produtoras de goma (CIAT

899 e ISOL 14) apoacutes a precipitaccedilatildeo com etanol A Figura 3 apresenta o aspecto dos

EPS precipitados a partir da produccedilatildeo onde pode-se observar diferenccedilas quanto ao

aspecto da goma precipitada Observa-se que os poliacutemeros sintetizado pelo ISOL 14

apresenta um aspecto transluacutecido enquanto que o CIAT 899 um aspecto mais opaco e

denso Quanto agrave coloraccedilatildeo natildeo foi detectada pigmentaccedilatildeo nas gomas obtidas

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Segundo Sandford (1979) os meacutetodos usados para a recuperaccedilatildeo de um

biopoliacutemero dependem sobretudo das caracteriacutesticas do microrganismo utilizado do

tipo de polissacariacutedeo e do grau de pureza desejado

Smith amp Pace (1982) revisaram esquemas de recuperaccedilatildeo para polissacariacutedeos

microbianos A precipitaccedilatildeo (baseada no caraacuteter polieletriliacutetico do polissacariacutedeo) tem

sido realizada pela adiccedilatildeo de caacutetions (como eletroacutelito) mono e polivalentes bem como

pela utilizaccedilatildeo de diversos tipos de solventes (acetona metanol etanol isopropanol 1-

butanol ou 111-tricloroetano) como agentes precipitantes

Os soacutelidos obtidos neste estaacutegio de separaccedilatildeo satildeo lavados com soluccedilatildeo

(etanolaacutegua) para remoccedilatildeo de grande parte das impurezas (Sais inorgacircnicos e

pigmentos) sendo entatildeo secos agrave vaacutecuo ou pela passagem forccedilada de ar quente ou

gaacutes inerte (Pace amp Righelato 1981) As condiccedilotildees de secagem devem ser tais que

evitem a degradaccedilatildeo quiacutemica coloraccedilatildeo excessiva ou mudanccedilas na solubilidade do

produto (Margaritis amp Pace 1985) O biopoliacutemero seco eacute entatildeo moiacutedo a uma

granulometria preacute-determinada dependendo da aplicaccedilatildeo do produto

Figura 3 ndash Aspecto do EPS precipitado sintetizado a partir do ISOL 14 (a) e do CIAT 899 (b) com 168 horas de cultivo

(a) (b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Viscosidade aparente

As propriedades reoloacutegicas foram avaliadas atraveacutes da anaacutelise de viscosidade

aparente para verificar o comportamento reoloacutegico dos EPS produzidas a temperatura

de 20 degC comparando-se nos tempos de fermentaccedilatildeo de 96 e 168 horas

Os resultados obtidos podem ser visualizados nas figuras 4 e 5 onde as soluccedilotildees

das gomas apresentaram comportamento pseudoplaacutestico isto eacute a viscosidade

aparente decresceu com o aumento da taxa de cisalhamento De acordo com a

literatura esse comportamento tem sido encontrado em soluccedilotildees polimeacutericas de

polissacariacutedeos microbianos (Amanullah et al 1996 Cacik et al 2001 Padilha 2003)

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Taxa Cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)

ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT899

Figura 4 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 96 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

0

005

01

015

02

025

03

035

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Taxa cisalhamento (s-1)

Visc

osid

ade

apar

ente

(Pa

s)ISOL 1

ISOL 2

ISOL 3

ISOL 4

ISOL 6

ISOL 11

ISOL 14

ISOL 16

CIAT 899

Atraveacutes dos graacuteficos comparativos entre as leituras de viscosidade aparente das

soluccedilotildees aquosas das diferentes gomas produzidas pode-se visualizar que o CIAT

899 ISOL 3 e ISOL 16 apresentaram os valores de viscosidade mais elevados em

ambos os tempos de processo poreacutem em 168 horas as viscosidades tiveram um

aumento comparando-se a 96 horas (Figura 4 e 5)

A diminuiccedilatildeo da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento eacute uma

caracteriacutestica comum aos biopoliacutemeros bacterianos Beyer et al (1987) observaram que

em soluccedilotildees a 1 do polissacariacutedeo produzido por Rhizobium CB744 medidas a 25 degC

e 65 degC tambeacutem houve um decreacutescimo da viscosidade com taxa de cisalhamento e

temperatura Vendruscolo (1995) estudou o comportamento reoloacutegico das soluccedilotildees

aquosas a 6 do biopoliacutemero Beijerinckia 7070 produzido por fermentaccedilatildeo com meio

VIII contendo 5 de sacarose medido nas temperaturas de 25 45 e 65 deg C Verificou

que a viscosidade eacute dependente da temperatura e que decresce com o aumento desta

poreacutem o biopoliacutemero recupera as suas caracteriacutesticas reoloacutegicas quando a viscosidade

eacute medida novamente na temperatura inicial no caso 25 degC

Figura 5 Variaccedilatildeo da viscosidade aparente em funccedilatildeo da taxa de cisalhamento de soluccedilotildees aquosas de EPS 25 (vv) de 8 isolados de Rhizobium e uma estirpe padratildeo CIAT 899 a 20 degC com tempo de fermentaccedilatildeo de 168 h determinada com viscosiacutemetro rotacional Brookfield (modelo RVT)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Em estudo realizado por Bueno amp Garcia-Cruz (2000) com a bacteacuteria do gecircnero

Pseudomonas foi verificada a influecircncia do tempo de cultivo em 24 48 e 72 horas

utilizando-se dois caldos de fermentaccedilatildeo diferentes Em um caldo a fonte de carbono

utilizada foi a glicose e no outro a sacarose na concentraccedilatildeo de 20 Os

biopoliacutemeros apresentaram comportamento pseudoplaacutestico e a maior viscosidade

aparente obtida foi em 72 horas de cultivo O meio contendo sacarose produziu fluidos

mais viscosos em 24 e 48 horas e o contendo de glicose produziu fluidos mais viscosos

somente apoacutes 72 horas de cultivo

As propriedades reoloacutegicas do biopoliacutemero devem ser estaacuteveis durante mudanccedilas

na temperatura pH e forccedila iocircnica O conhecimento sobre as propriedades dos

biopoliacutemeros principalmente a viscosidade e o comportamento reoloacutegico satildeo

importantes para futuras aplicaccedilotildees industriais refletem sua estrutura quiacutemica primaacuteria

e servem para predizer em quais produtos podem ser utilizados (Scamparini et al

1997)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

54 Conclusotildees

Eacute possiacutevel produzir biopoliacutemeros a partir de Rhizobium sp utilizando-se meio

suplementado (sacarose 30 gL)

A condiccedilatildeo maximizada para a produccedilatildeo de biopoliacutemeros sintetizados por

Rhizobium sp a partir do meio suplementado dentro das faixas estudadas foi 28

degC 200 rpm 168 horas de fermentaccedilatildeo em meio contendo 25 (vv) inoculo

A produccedilatildeo obtida nessa condiccedilatildeo foi 185 gL-1 para a estirpe CIAT 899 166

gL-1 para o ISOL 14 e 132 gL-1 para o ISOL 16

Os biopoliacutemeros sintetizados por Rhizobium sp apresentaram comportamento

reoloacutegico caracteriacutestico de soluccedilotildees polimeacutericas de polissacariacutedeos microbianos

apresentando os valores mais elevados de viscosidade aparente para CIAT 899

ISOL 3 e ISOL 16 respectivamente para soluccedilotildees aquosas de goma sintetizadas

a partir de sacarose 30 gL medidos a 20 degC em 168 horas de processo

Estudos viscosiacutemetricos de soluccedilotildees do polissacariacutedeo revelaram seu

comportamento pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

6 CAPIacuteTULO 2

CINEacuteTICA MICROBIANA E COMPOSICcedilAtildeO QUIacuteMICA DOS EPSs PRODUZIDOS POR Rhizobium sp

Barreto M C S 12 Figueiredo M V B 2Oliveira J P2 Lima-Filho J L 1

1Universidade Federal de Pernambuco Rua Nelson Chaves sn Cidade Universitaacuteria

Recife ndash PE Brasil

2Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria ndash IPA Laboratoacuterio Biologia do

Solo Av Gal San Martin 1371 Bongi Recife ndash PE Brasil

O manuscrito a seguir seraacute submetido agrave revista Scientia Agraacuteria

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

RESUMO Os exopolissacariacutedeos (EPSs) satildeo definidos como polissacariacutedeos extracelulares

produzidos por alguns fungos e bacteacuterias Alguns EPSs satildeo sintetizados durante todo o

crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo produzidos somente durante a fase

logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento

microbiano e dosagem de sacarose assim como determinar a composiccedilatildeo quiacutemica das

melhores estirpes obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp em diferentes tempos de

cultivo O biopoliacutemero foi obtido atraveacutes de agitaccedilatildeo em incubador rotatoacuterio As

condiccedilotildees foram 28 degC 200 rpm por 96 e 168 horas em meio YM modificado Foram

avaliados a cineacutetica microbiana pela contagem do nuacutemero de unidades formadoras de

colocircnias (UFC) e por densidade oacutetica assim como consumo de substrato (sacarose)

pelo meacutetodo glicose-oxidase e determinaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica por cromatografia

gaacutes liacutequido (GLC) Os resultados mostraram que a cineacutetica de crescimento microbiano

apresentou na fase logariacutetmica valores correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular

meacutedia de 109 UFCmL para todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas

de incubaccedilatildeo O consumo de substrato em 168 horas de fermentaccedilatildeo foi de de 455

gL e 478 gL para o ISOL 14 e CIAT 899 respectivamente A composiccedilatildeo dos

accedilucares dos exopolissacariacutedeos do ISOL 14 apresentou valores superiores de

ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em relaccedilatildeo a

estirpe padratildeo CIAT 899

Palavras Chave Exopolissacariacutedeos glicose rizoacutebio sacarose unidades formadoras de colocircnias (UFC)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

61 Introduccedilatildeo

Os exopolissacariacutedeos (EPSs) chamados de biopoliacutemeros ou gomas

hidrossoluacuteveis satildeo produzidos por uma grande variedade de microrganismos e

possuem propriedades fiacutesicas estruturais e quiacutemicas bastante homogecircneas em

relaccedilatildeo aos derivados de algas e plantas (Margaritis Pace 1985)

A produccedilatildeo de EPS pode ser limitada por certas condiccedilotildees como quantidade de

carboidratos nitrogecircnio cofatores no meio temperatura pH e condiccedilotildees de aeraccedilatildeo

Entretanto os efeitos destas condiccedilotildees natildeo podem ser generalizados para todas as

estirpes bacterianas deve-se levar em consideraccedilatildeo as particularidades de cada uma

Os EPSs formam uma camada protetora para as ceacutelulas protegendo-as da

desidrataccedilatildeo e de substacircncias toacutexicas e servem como fonte de carbono e energia aleacutem

de manterem os microrganismos perto das fontes alimentares

Os primeiros estudos nutricionais sobre a composiccedilatildeo do meio de produccedilatildeo foram

realizados por Davidson (1978) em cultivo contiacutenuo e por Souw amp Demain (1979) em

batelada Souw amp Demain (1979) estudaram diferentes fontes de carbono e nitrogecircnio e

concluiacuteram que as melhores fontes de carbono satildeo accediluacutecares especialmente glicose e

sacarose Aleacutem do tipo de substrato utilizado a concentraccedilatildeo inicial deste no meio de

cultivo parece ser um fator decisivo para o sucesso do processo fermentativo

Thomart et al (1985) concluiacuteram que a produccedilatildeo de poliacutemero eacute altamente

dependente da concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar enquanto o crescimento do

microrganismo independe desta concentraccedilatildeo inicial de accediluacutecar Foi relatada uma

produccedilatildeo decrescente de poliacutemero agrave medida em que a concentraccedilatildeo inicial de glicose

foi aumentada caindo rapidamente a razatildeo poliacutemerobiomassa para concentraccedilotildees

iniciais maiores que 3

Diversas pesquisas tecircm tentado elucidar a rota biossinteacutetica as condiccedilotildees de

crescimento e a fisiologia bacteriana que leva agrave produccedilatildeo de polissacariacutedeos Alguns

EPSs satildeo sintetizados durante todo o crescimento bacteriano enquanto que outros satildeo

produzidos somente durante a fase logariacutetmica ou na fase estacionaacuteria A siacutentese de

todos esses EPSs eacute um processo intracelular utilizando accedilucares difosfato nucleotiacutedios

(De Souza Sutherland 1994)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Tem sido observado que as limitaccedilotildees da fonte de nitrogecircnio fosfato ou enxofre em

presenccedila de excesso de carboidrato podem conduzir a um aumento na siacutentese de

polissacariacutedeo embora a quantidade seja tambeacutem afetada pelo teor de oxigecircnio pH e

temperatura Cada cepa bacteriana difere em sua resposta ao efeito destas mudanccedilas

ambientais e agrave fonte de carbono utilizada (Faria 2002) Portanto a utilizaccedilatildeo do meio

de fermentaccedilatildeo mais adequado para a produccedilatildeo de EPS iraacute refletir nas propriedades

funcionais de cada polissacariacutedeo obtido

Para a produccedilatildeo de EPS podem ser usados os mais diversos substratos glicose

frutose sacarose lactose amido hidrolisado metanol diferentes hidrocarbonetos O

custo de produccedilatildeo eacute dependente destes substratos (Margaritis Pace 1985) De todos

estes produtos a sacarose eacute o de mais faacutecil obtenccedilatildeo e mais vantajoso

economicamente O rendimento da conversatildeo de sacarose com ceacutelulas pelo R

leguminosarum bv phaseoli oscila entre 04 e 05 g de ceacutelulas por grama de sacarose

(Boiardi 1983 Balatti 1992 IPT 1993 a) A sacarose (C12H22O11) eacute um dissacariacutedeo

natildeo redutor o qual por hidroacutelise com aacutecidos muito diluiacutedos resinas de troca catiocircnica ou

a enzima invertase fornece proporccedilotildees equimolares de D-Glicose e D-Frutose

Geralmente concentraccedilotildees limitantes de alguns nutrientes e excesso de

carboidrato favorecem a produccedilatildeo de polissacariacutedeos (Sutherland 1979) Obteacutem-se um

alto rendimento quando ocorre a conversatildeo de 70-80 da fonte de carbono utilizada

em biopoliacutemero (Margaritis Pace 1985)

Um aspecto de extrema importacircncia em relaccedilatildeo aos EPSs eacute a necessidade de

um riacutegido controle das condiccedilotildees de fermentaccedilotildees uma vez que diferentes paracircmetros

de produccedilatildeo levam agrave obtenccedilatildeo de produtos com caracteriacutesticas heterogecircneas

Assim eacute fundamental que qualquer estudo para a produccedilatildeo de EPS seja

acompanhado pela caracterizaccedilatildeo do material produzido principalmente a composiccedilatildeo

quiacutemica uma vez que pequenas variaccedilotildees quiacutemicas na moleacutecula teratildeo grande efeito

para determinadas aplicaccedilotildees

Dentro deste contexto este trabalho teve como objetivo geral avaliar a cineacutetica

microbiana obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e uma estirpe padratildeo Rhizobium

tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo determinar a dosagem da sacarose

do ISOL 14 e a estirpe padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica do ISOL 14

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

selecionadas como as estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados

anteriormente por Barreto et al (2008) (submetido agrave publicaccedilatildeo)

62 Material e Meacutetodos

Microrganismos

Foram utilizadas as bacteacuterias pertencentes ao gecircnero Rhizobium 8 isolados (nativos

da regiatildeo do sertatildeo de Pernambuco ndash Araripina) do banco de germoplasma da

Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuaacuteria - IPA resistentes a alta

temperatura e formadoras de goma e uma estirpes padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899)

obtidas do Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia - CNPAB EMBRAPA

As estirpes descritas na Tabela 1 foram mantidas em meio YMA (Vincent 1970)

modificado contendo (gL-1) sacarose (30 g) Extrato de Levedura (04 g) 1 mL de

K2HPO4 a 10 4 mL de KH2PO4 a 10 2 mL de MgSO47H2O a 10 1 mL de NaCl

a 10 5 mL de azul de bromotimol 025 em KOH a 02N ou 10 mL de vermelho do

congo a 025

Para as determinaccedilotildees da sacarose foram analisados apenas o ISOL 14 e a estirpe

padratildeo CIAT 899 e a composiccedilatildeo quiacutemica apenas o ISOL 14 selecionadas como as

estirpes maiores produtoras de EPS em estudos realizados por Barreto et al (2008)

(submetido agrave publicaccedilatildeo)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOLADOS ESTIRPE

HOSPEDEIRO ORIGEM

ISOL-1 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-2 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-3 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-4 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-6 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-11 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-14 Phaseolus vulgaris Araripina-PE

ISOL-16 Phaseolus vulgaris

CIAT 899 Phaseolus vulgaris

Araripina-PE

Cali-CO

Inoacuteculo

As estirpes descritas na tabela 7 foram purificadas por repicagem em placas de

Petri contendo o meio de cultura Agar sacarose extrato de levedura (Vincent 1970 -

modificado) utilizando o corante vermelho do congo como indicador Apoacutes a

purificaccedilatildeo as bacteacuterias foram repicadas em tubos inclinados em meio de cultura sem o

indicador vermelho do congo as quais foram incubados a 28 degC por 48 horas em

estufa e armazenadas a plusmn4 degC

A partir dessas culturas os experimentos foram conduzidos em duas etapas

Primeiro preparou-se um preacute-inoacuteculo partindo de uma alccedilada de cultura crescida sobre

meio YMA e incubada em estufa por 48 h a 28 plusmn 1 degC Transcorrido este periacuteodo

preparou-se o inoacuteculo atraveacutes da transferecircncia asseacuteptica em Erlenmeyer de 250 mL

com 80 mL de meio de produccedilatildeo contendo 25 (vv) de uma cultura do preacute-inoacuteculo

crescida ateacute a fase logariacutetma e incubados em agitador rotatoacuterio a 200 rpm a 28 plusmn 1 degC

em triplicata

Tabela 7 Isolados de rizoacutebios e estirpe padratildeo CIAT 899 - Rhizobium tropici

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Curva de crescimento microbiano O crescimento celular foi avaliado atraveacutes da leitura de absorbacircncia em

comprimento de onda de 560 nm em espectrofotocircmetro contra um branco constituiacutedo

de meio YM O plaqueamento das bacteacuterias foi efetuado em meio YMA contendo o

indicador vermelho do congo atraveacutes do meacutetodo da gota (ldquoDrop-platerdquo) As curvas de

crescimento microbiano foram construiacutedas a partir dos dados de absorbacircncia e

contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFCmL) A Figura 5 mostra o procedimento efetuado

para a contagem de UFC e totais (densidade oacutetica)

Figura 6 Procedimento para contagem de ceacutelulas viaacuteveis (UFC) e totais (densidade oacutetica)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

A sacarose presente no mosto foi hidrolisada para obter glicose e frutose Para

isso foram preparados tubos de ensaio contendo 1 mL de meio fermentado 1 mL de

aacutegua destilada e 1 mL de HCl 2 N deixando-se reagir por 10 minutos a 60 degC Em

seguida resfriou-se rapidamente e neutralizou com 3 mL de NaOH 1 N O caacutelculo da

concentraccedilatildeo de sacarose em gL foi efetuado de acordo com a Equaccedilatildeo 1 (Arauacutejo et

al 2005)

Csac = fator de calibraccedilatildeo meacutedia da leitura (absorbacircncia)D (1100)19 (1)

Em seguida procedeu de acordo com o descrito para dosagem de glicose cujas

determinaccedilotildees foram realizadas por meacutetodo enzimaacutetico utilizando o Kit glicose-oxidase

PAP da LABTEST

Apoacutes a reaccedilatildeo enzimaacutetica a intensidade da cor da soluccedilatildeo foi medida a 505 nm

em espectrofotocircmetro usando cubetas de vidro de 1 cm de percurso oacuteptico

considerando como branco a soluccedilatildeo da glicose-oxidase Esse meacutetodo eacute especiacutefico

para a glicose e se baseia na oxidaccedilatildeo da mesma de acordo com a seguinte reaccedilatildeo

catalizada pela glicose-oxidase (GOD)

GOD

Glicose + O2 + H2O rarr Aacutecido Glucocircnico + H2O2

O peroacutexido de hidrogecircnio formado reage com 4-aminoantipirina e fenol sob accedilatildeo

catalizadora da peroxidase (POD) atraveacutes de uma reaccedilatildeo oxidativa de acoplamento

formando uma antipirilquinona vermelha cuja intensidade de cor eacute proporcional agrave

concentraccedilatildeo da glicose na amostra Esse composto de tonalidade vermelha apresenta

a sua maacutexima absorccedilatildeo de luz na faixa de 505 nm

POD

2 H2O2 + 4-Aminoantipirina + fenol rarr Antipirilquinonimina + 4 H2O

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica

Agravecido urocircnico A dosagem de aacutecido urocircnico foi efetuada pelo meacutetodo descrito por Blumenkrantz

amp Asbol-Hansen (1973) usando aliacutequotas de 04 mL de uma soluccedilatildeo a 100 mgmL do

polissacariacutedeo e aacutecido D-glucurocircnico como padratildeo O meacutetodo utiliza m-fenilfenol (o

qual promove a formaccedilatildeo de composto corado que absorvem em 520 nm)

As leituras das medidas de absorbacircncia foram realizadas a 520 nm em

espectrofotocircmetro Spectronic 20 Genesys Spectronic Instruments Todas as

determinaccedilotildees foram realizadas em triplicata

Determinaccedilatildeo quantitativa de monossacariacutedeos

Os monossacariacutedeos presentes nas amostras de biopoliacutemeros de Rhizobium

sp foram determinados sob a forma de acetato de alditoacuteis (Sawardeker et al 1965) por

cromatografia gaacutes liacutequido (GLC) Os acetatos derivados foram analisados por

cromatografia gasosa (cromatoacutegrafo a gaacutes modelo 5890S11 (Hewllet-Packard)) a 220

degC com uma coluna capilar DB-210 (025 mm di x 30 m) e filme de espessura igual a

025 microm A temperatura de injeccedilatildeo da amostra e a do FID foi 250 degC e foi utilizado como

gaacutes carreador N2 Para a realizaccedilatildeo desta anaacutelise aproximadamente 10 mg das

amostras foram hidrolisadas reduzidas e acetiladas A hidroacutelise foi efetuada com aacutecido

sulfuacuterico

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

63 Resultados e Discussatildeo Curva de crescimento microbiano

Com base nos resultados obtidos neste estudo que podem ser visualizados nas

Figuras 6 a 14 (a) pode-se observar que houve diferenccedilas quanto ao crescimento

populacional entre os isolados A curva de crescimento dos isolados e da estirpe

padratildeo CIAT 899 de Rhizobium sp em meio utilizando sacarose como fonte de carbono

mostrou que apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo o crescimento foi maacuteximo Pode-se observar

que o oacutetimo da fase log ocorre entre 72 a 120 horas de incubaccedilatildeo agrave temperatura de 28

degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem estudada Esta faixa de

tempo de incubaccedilatildeo corresponde a uma concentraccedilatildeo celular meacutedia de 109 UFCmL

As relaccedilotildees cineacuteticas entre o crescimento e a formaccedilatildeo de produtos satildeo

importantes para determinar o modo de operaccedilatildeo mais econocircmico Segundo Hiss

(2001) sem o conhecimento da cineacutetica torna-se inviaacutevel a transposiccedilatildeo de um

experimento de laboratoacuterio para a escala industrial

Desta forma inicialmente as curvas nos propiciam informaccedilotildees tais como a

faixa de absorbacircncia (560 nm) correspondente ao oacutetimo da fase log e a concentraccedilatildeo

celular que esta faixa corresponde

Pereira (2002) analisando o crescimento das estirpes de Rhizobium em meio

YMA com manitol observou um acentuado crescimento exponencial entre 24 e 48

horas de cultivo de 7 estirpes

Barberi et al (2004) avaliaram as curvas de crescimento de Bradyrhizobium

elkanii (BR 29) de acordo com o pH e com a composiccedilatildeo do meio de cultura Com base

no nuacutemero maacuteximo de UFC mL-1 para o meio (Lorda amp Balatti 1996) modificado o

melhor crescimento ocorreu apoacutes 72 horas para o tratamento com pH inicial de 60 e

no meio Lopreto (1972) citado por Urenha et al (1994) o tratamento com pH inicial 55

foi o que apresentou os valores de nuacutemero maacuteximo de ceacutelulas ocorrendo em 161 horas

de cultivo As meacutedias de log dos nuacutemeros de UFC mL-1 apresentadas por Barberi et al

(2004) foram superiores aos encontrados por Miguel e Moreira (2001) que foram

aproximadamente 109 Isso eacute explicado pela melhor utilizaccedilatildeo da fonte de carbono do

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

meio Lorda e Balatti (1996) em que em sua composiccedilatildeo possui glicerol em

comparaccedilatildeo com o manitol utilizado no meio YM (Vincent 1970) utilizado por esses

autores

Nas figuras 6 a 14 (b) mostram os resultados da Densidade Oacutetica (DO) onde a

curva de crescimento construiacuteda a partir da contagem de ceacutelulas totais demonstrou que

apoacutes 72 horas de cultivo o crescimento permaneceu crescente para a maioria das

estirpes estudadas Provavelmente o aumento da curva deve-se a presenccedila dos EPSs

Segundo Cunningham e Munns (1984) a produccedilatildeo de EPS eacute uma resposta de

vaacuterias espeacutecies da bacteacuteria a uma gama de fatores limitantes que em geral sugerem

estarem implicados em suprimir a reaccedilatildeo da defesa da planta e parecem ser requeridos

para formaccedilatildeo do cordatildeo de infecccedilatildeo Os EPSs pode ter um papel integral por permitir

que um organismo sobreviva sob uma variedade de circunstacircncias estressantes

Miguel e Moreira (2001) utilizando meio YM obtiveram maior densidade oacutetica para

o tratamento com pH igual a 60 do que no pH 68 utilizando o mesmo nuacutemero-base

(1088 UFC mL-1) o que provavelmente estaacute relacionado com a diferente composiccedilatildeo

dos meios principalmente com relaccedilatildeo agrave fonte de carbono Cunningham e Munns

(1984) em meio YMA (modificado por Keyser e Munns 1979) obtiveram maior

quantidade de EPS em estirpes de Rhizobium tolerantes agrave acidez do meio quando

expostas a meio aacutecido

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 1

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 1

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(5

60nm

)

Figura 7- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 1 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

b)

a)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 2

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 2

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 8- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 2 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 3

000E+00500E+08100E+09150E+09

200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 3

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 9- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 3 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 4

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 4

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 10- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 4 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 6

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 6

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 11- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 6 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 11

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 11

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 12- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 11 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 14

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 14

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 13- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 14 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

ISOL 16

000E+00500E+08100E+09150E+09200E+09250E+09300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

ISOL 16

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 14- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do Isolado 16 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

000E+00500E+08

100E+09150E+09

200E+09250E+09

300E+09

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

UFC

mL-

1

CIAT 899

0

05

1

15

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Abs

orbacirc

ncia

(560

nm)

Figura 15- Curvas de crescimento microbiano referentes a UFCmL-1 (a) e absorbacircncia (560 nm) (b) do inoacuteculo do CIAT 899 com 25 (vv) em meio YM incubados a 28 degC e 200 rpm

a)

b)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Determinaccedilatildeo quantitativa da sacarose

Analisando os resultados obtidos para a dosagem da sacarose verificou-se que a

estirpe CIAT 899 (padratildeo) apresentou maior consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado durante 168 horas de fermentaccedilatildeo apresentando um consumo

final de 455 gL Neste ponto a massa celular corresponde a 076 gL (Figura 15)

Entretanto o ISOL 14 apresentou resultados proacuteximos da estirpe padratildeo com consumo

de 478 gL e massa celular de 086 gL no mesmo tempo (Figura 16)

Deu-se preferecircncia agrave utilizaccedilatildeo de um meacutetodo especiacutefico para glicose ao inveacutes de

um para determinaccedilatildeo de accediluacutecares redutores o que garante a detecccedilatildeo da liberaccedilatildeo

especificamente de glicose a partir da hidroacutelise por sacarose do EPS

ISOL 14

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Figura 16 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (ISOL 14)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

CIAT 899

0

2

4

6

8

10

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180

Tempo (h)

Glic

ose

gL

Determinaccedilatildeo da Composiccedilatildeo Quiacutemica dos EPS

Na tabela 8 observa-se os accediluacutecares determinados das gomas produzidas pelas

estirpes ISOL 14 e CIAT 899 onde revelaram maiores concentraccedilotildees dos

monossacariacutedeos galactose e glicose para a estirpe ISOL 14 em relaccedilatildeo a estirpe

padratildeo CIAT 899 Tambeacutem foram observados traccedilos de manose e ramnose na

composiccedilatildeo das gomas das estirpes estudadas

Amostras

Ac urocircnico

()

Manose

Accediluacutecares

Ramnose

(mg100g)

Galactose

Glicose

ISOL 14

410

098

016

1260

3695

CIAT 899

-

020

010

895

1680

Castellane amp Lemos (2007)

Tabela 8 Constituintes quiacutemicos da goma produzida pela estirpe de Rhizobium sp (ISOL 14)

Figura 17 Concentraccedilatildeo de glicose durante a produccedilatildeo de EPS por Rhizobium sp (CIAT 899)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Lima (1999) analisando a composiccedilatildeo quiacutemica da goma xantana produzida por

linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris verificou a presenccedila de glicose e

manose nas concentraccedilotildees 3322 5778 respectivamente para a linhagem NRRL

B-1459 apresentando componentes tiacutepicos da goma xantana

Whitfield et al (1981) caracterizando cinco amostras de goma xantana

produzidas por diferentes linhagens de Xanthomonas campestris pv campestris

encontraram valores de glicose variando entre 22-42 manose de 12-38 e aacutecido

urocircnico de 9-20 Com relaccedilatildeo agrave ramnose apenas trecircs amostras de xantana

apresentaram este accediluacutecar com valores que oscilam entre 12-22 Outro accediluacutecar

identificado pelos pesquisadores foi a galactose com valores entre 24-28 Em todas

as amostras estudadas por estes autores foram observados os grupamentos piruvato e

acetila Lowson e Symes (1977) relataram a presenccedila de ramnose na xantana

produzida por X juglandis Sugere-se que a presenccedila desse accediluacutecar seja uma

caracteriacutestica desejaacutevel pois em geral os poliacutemeros dos quais faz parte possuem

capacidade de formar geacuteis verdadeiros (Mcnelly e Kang 1977) A goma xantana

comercial natildeo apresenta ramnose na sua composiccedilatildeo (Casas et al2000)

De acordo com Casas et al (2000) a composiccedilatildeo do meio de cultura utilizado na

fermentaccedilatildeo exerce um profundo efeito na siacutentese do produto oligomeacuterico e polimeacuterico

Portanto a quantidade de manose glicose e aacutecido glucurocircnico sintetizados e inseridos

no EPS pelas enzimas durante fermentaccedilatildeo podem sofrer variaccedilotildees dependendo da

composiccedilatildeo do substrato e das condiccedilotildees utilizadas na fermentaccedilatildeo

No presente trabalho o percentual de aacutecido urocircnico produzido pela estirpe ISOL

14 foi de 41 enquanto o apresentado na goma xantana por Lima (1999) foi de 847

Os meacutetodos de anaacutelises de polissacariacutedeos complexos baseiam-se

principalmente na determinaccedilatildeo dos constituintes dos resiacuteduos obtidos apoacutes hidroacutelise

quiacutemica dos poliacutemeros nativos (Wei amp Fang 1990 Ruitter et al 1992 Scamparini et al

2000) Esses satildeo compostos de inuacutemeros resiacuteduos de accediluacutecares interligados por

ligaccedilotildees glicosiacutedicas (α e β) que podem diferir consideravelmente na sua

suscetibilidade agrave hidroacutelise aacutecida Aacutecidos urocircnicos satildeo frequentemente envolvidos por

fortes ligaccedilotildees glicosiacutedicas particularmente nos tipos de ligaccedilotildees dos aacutecidos

aldobiurocircnicos (Druzian 2000)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

Moreira et al (1998) analisando a composiccedilatildeo de dois biopoliacutemeros comerciais

gelanareg e xantanareg e um biopoliacutemero produzido a clairana identificou o aacutecido

glicurocircnico (em todas as amostras) e os monossacariacutedeos esperados para a clairana

(glicose galactose e fucose) gelana (glicose e ramnose) e xantana (glicose e manose)

A ramnose estaacute presente na acetana gelana welana e ransana que possuem

estrutura quiacutemica similar agrave da xantana e possui propriedades de espessante e agente

de suspensatildeo semelhantes agravequelas atribuiacutedas para xantana (Kennedy amp Sutherland

1994) A goma welana apresenta como cadeia lateral unidades de manose e ramnose

distribuiacutedas de modo aleatoacuterio Aproximadamente dois terccedilos das unidades quiacutemicas

repetidas do poliacutemero conteacutem ramnose como cadeia lateral enquanto que o restante

das ramificaccedilotildees eacute composto por unidades de manose (Jansson et al 1985)

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

64 Conclusotildees

A curva do crescimento microbiano apresentou na fase logariacutetmica valores

correspondentes a uma concentraccedilatildeo celular viaacuteveis meacutedia de 109 UFCmL para

todos os isolados e estirpe padratildeo CIAT 899 apoacutes 72 horas de incubaccedilatildeo a uma

temperatura de 28 degC com agitaccedilatildeo de 200 rpm variando conforme a linhagem

estudada

As estirpes apresentaram valores do consumo de substrato para o meio de

produccedilatildeo empregado de 455 gL para a CIAT 899 e 478 gL para o ISOL 14

em 168 horas de fermentaccedilatildeo

A composiccedilatildeo dos accedilucares da goma do ISOL 14 apresentou valores superiores

de ramnose manose galactose glicose e aacutecidos urocircnicos na moleacutecula em

relaccedilatildeo a estirpe padratildeo CIAT 899

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

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7 ANEXOS

Normas da Revista World Journal of Microbiology and Biotechnology

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References Citation Reference list

Citation Cite references in the text by name and year in parentheses Some examples

Negotiation research spans many disciplines (Thompson 1990)

This result was later contradicted (Becker and Seligman 1996)

This effect has been widely studied (Abbott 1991 Barakat et al 1995 Kelso and Smith 1998 Medvec et al 1993)

Reference list The list of references should only include works that are cited in the text and that have been published or accepted for publication Personal communications and unpublished works should only be mentioned in the text Do not use footnotes or endnotes as a substitute for a reference list Reference list entries should be alphabetized by the last names of the first author of each work

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Normas da Revista Scientia Agraacuteria

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Trabalhos apresentados no 24ordm Congresso Brasileiro de Microbiologia - 3 a 6 de Outubro de 2007 em

Brasiacutelia - Centro de Convenccedilotildees Ulysses Guimaratildees ndash Brasiacutelia DF

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MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 609 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo comportamento reoloacutegico BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 OLIVEIRA J P2 COELHO A C D1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

Os polissacariacutedeos extracelulares sintetizados por bacteacuterias do gecircnero Rhizobium tem sido estudados na tentativa de melhor compreender sua participaccedilatildeo na simbiose leguminosa x Rhizobium uma vez que estes biopoliacutemeros parecem ser determinantes da especificidade simbioacutetica A viscosidade que pode ser tomada como paracircmetro de qualidade eacute influenciada em funccedilatildeo das estirpes da colocircnia bacteriana do meio de fermentaccedilatildeo utilizado e das condiccedilotildees operacionais na produccedilatildeo Com base no exposto o objetivo deste trabalho foi verificar o comportamento reoloacutegico em diferentes tempos de cultivo de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo de Rhizobium tropici (CIAT 899) As bacteacuterias foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordmC) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados a determinaccedilatildeo da viscosidade da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidas em diferentes tempos de cultivo e medidas a 20ordmC em viscosiacutemetro rotacional Brookfield modelo RVT com spindle 2 nas seguintes velocidades de deformaccedilatildeo 10 20 50 e 100rpm a viscosidade aparente a vaacuterias taxas de cisalhamento dos mostos fermentados Os resultados mostraram que os estudos viscosimeacutetricos de soluccedilotildees de polissacariacutedeo dos isolados e da CIAT 899 revelam seu comportamento natildeo tixotroacutepico pseudoplaacutestico mesmo em baixas concentraccedilotildees e caraacuteter polieletroliacutetico e que as medidas de viscosidade do mosto em funccedilatildeo do tempo de agitaccedilatildeo mostra que a viscosidade aparente do meio de cultivo alcanccedila um valor patamar com 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 16 e CIAT 899 apresentaram maiores valores no aumento da viscosidade

Inovaccedilatildeo tecnoloacutegica baseada na produccedilatildeo de biopoliacutemeros Barreto M C S

MICROBIOLOGIA GERAL K03 METABOLISMO MICROBIANO E SEUS PRODUTOS 1751 Biopoliacutemero sintetizados por Rhizobium sp em diferentes tempos de cultivo produccedilatildeo BARRETO M D C S1 FIGUEIREDO M D V B2 BURITY H A2 SILVA M L R B1 CALAZANS G M T1 LIMA-FILHO J L L1 UFPE

Resumo

A produccedilatildeo de exopolissacariacutedeos (EPS) microbianos tem sido objeto de intensa pesquisa tendo em vista seu elevado potencial de aplicaccedilatildeo em diferentes setores pois natildeo se encontra exposta agraves alteraccedilotildees climaacuteticas ou agrave problemas nas colheitas que prejudicam a oferta e alteram o custo de produccedilatildeo das gomas tradicionais No processo de produccedilatildeo de polissacariacutedeos deve-se considerar desde o microrganismo em estudo ateacute a determinaccedilatildeo dos paracircmetros de agitaccedilatildeo onde se destaca o meio de produccedilatildeo e sua influecircncia na siacutentese no rendimento e na composiccedilatildeo dos EPS O objetivo deste trabalho foi avaliar a produccedilatildeo de biopoliacutemeros (gLh) obtidos de 8 isolados de Rhizobium sp e da estirpe padratildeo Rhizobium tropici (CIAT 899) em diferentes tempos de cultivo pela massa do produto seco por volume de meio As bacteacuterias foram purificadas em meio YMA e apoacutes foram incubadas em agitador rotatoacuterio (200rpm agrave 28ordm C) em Erlenmeyers de 250mL contendo 15 de meio YM modificado por um periacuteodo de 96 e 168 horas Foram avaliados o peso seco da soluccedilatildeo aquosa dos biopoliacutemeros a 25 (vv) obtidos em diferentes tempos de cultivo atraveacutes da teacutecnica do peso seco onde o aacutelcool etiacutelico foi adicionado ao mosto ateacute atingir a concentraccedilatildeo de 80 na soluccedilatildeo hidroalcooacutelica formada e posterior precipitaccedilatildeo do EPS Apoacutes a filtraccedilatildeo a secagem do produto foi realizada em dissecador (30ordmC) ateacute peso constante comparando-se os diferentes tempos de cultivo Os resultados mostraram que a produccedilatildeo total do biopoliacutemero dos isolados e da estirpe padratildeo CIAT 899 apresentaram maacutexima produccedilatildeo no periacuteodo de 168 horas de processo para todos os microrganismos poreacutem os isolados 3 e 14 e a CIAT 899 foram as que resultaram em maior produtividade (13 17 e 2gL-1h-1) respectivamente

  • Barreto Maria do Carmo Silva
    • Inclui bibliografia
    • 5771 CDU (2ed) UFPE
      • 13 Simbiose rizoacutebio- leguminosa
        • 14 Polissacariacutedeos de Rizoacutebio
          • WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
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