FICHA TÉCNICA
TÍTULO

Biofilmes
Na Saúde, no Ambiente, na Indústria
COORDENADORES
Nuno F. Azevedo
Nuno Cerca
EDITORA
Publindústria - Edições Técnicas
DISTRIBUIÇÃO
Engebook - Conteúdos de Engenharia e Gestão · www.engebook.com
FORMATO: 170 x 240 mm
NÚMERO DE PÁGINAS: 416 aprox.
ISBN

978-972-8953-93-5 (papel)
978-972-8953-92-8 (eBook)
SOBRE A EDITORA
A Publindústria assume como missão estratégica a produção de conteúdos direcionados para a Indústria Transformadora. Entre os nossos
produtos comunicacionais destacamos a edição de revistas técnico-científicas, uma atividade editorial que iniciámos e vimos a aprofundar
desde há 25 anos. A edição de livros técnicos e manuais universitários é uma área de negócios emergente, um desafio e uma prova do
envolvimento da Publindústria com os técnicos e cientistas portugueses. Estamos apostados em ocupar o reduzido nicho de mercado
do livro técnico nos mais diversos domínios da ciência e tecnologia, que contenham uma forte componente pedagógica e/ou formativa.

Acerca do livro
Desde o início da ciência da Microbiologia que as bactérias e fungos unicelulares foram vistos como organismos que vivem
predominantemente isolados e sem interações com os restantes microrganismos. Nas últimas décadas, esta visão simplista da vida
à escala microscópica tem vindo a modificar-se. A teoria emergente é que, tal como no ser humano, as células microbianas estão
programadas para interagir e formar comunidades com o intuito de melhor aproveitar as condições ambientais envolventes. Essas
comunidades, conhecidas como biofilmes, envolvem interações e estruturas altamente complexas, tendo já sido também apelidadas de
"cidades dos microrganismos". Sabe-se agora que os biofilmes têm um forte impacto no ambiente e na atividade humana, contribuindo
quer para a sustentabilidade ecológica da Terra, quer para a disseminação de doenças infeciosas e o aparecimento de resistências a
antibióticos. O presente livro pretende reunir o conhecimento científico acumulado nas últimas décadas que revolucionou a ciência da
microbiologia e seus mais variados aspetos. Como tal, a obra encontra-se dividida em secções distintas, abordando os temas gerais da
Microbiologia na Saúde, Ambiente, e Indústria. Destina-se a estudantes do ensino superior e a investigadores em início de carreira da
comunidade de países de Língua Oficial Portuguesa, ligados à área da Microbiologia, da Bioengenharia e das Ciências da Vida.

Sobre os coordenadores
Nuno F. Azevedo e Nuno Cerca são ambos investigadores auxiliares do programa governamental "Compromisso com a Ciência" e
doutorados pela Universidade do Minho em Engenharia Química e Biológica. Nuno F. Azevedo também trabalhou na Universidade
de Southampton, no Reino Unido, e atualmente desempenha as funções de investigador no Laboratório de Engenharia de Processos,
Ambiente e Energia, no Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, onde leciona
ao curso de Bioengenharia. Os seus interesses académicos incluem: biofilmes mistos, biotecnologia e bioinformática. Foi promotor de
uma spin-off da Universidade do Minho chamada DNAMiMics, que posteriormente deu origem à empresa de biotecnologia Biomode
SA. Obteve vários prémios relacionados com a sua atividade de investigação e empreendedorismo, como por exemplo o Prémio
GlaxoSmithKline durante o evento "IdeaSpring 2008" do programa MIT-Portugal. Nuno Cerca também trabalhou na Universidade
de Harvard, nos Estados Unidos da América (EUA), ao abrigo de uma Bolsa Fulbright, e posteriormente esteve na Universidade da
Commonwealth da Virginia, também nos EUA. Atualmente desempenha as suas funções de investigador no Instituto de Biotecnologia
e Bioengenharia ­ Centro de Engenharia Biológica, na Universidade do Minho, onde leciona ao mestrado integrado de Engenharia
Biológica, mestrado de Bioengenharia e programa doutoral de Engenharia Biológica. Os seus interesses académicos incluem: infeções
por biofilmes microbianos, biologia molecular e imunologia. Foi o presidente fundador da Associação Nacional de Investigadores
Científicos (ANICT) e é atualmente membro da direção da ANICT, assim como Membro do Conselho da Escola de Engenharia da
Universidade do Minho.
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Biofilmes
Na Saúde, no Ambiente, na Indústria





Prefácio
Biografias
Agradecimentos



SECÇÃO I: Introdução à ciência e engenharia dos
biofilmes




1





1.1
1.2
1.3



Breve história da ciência e engenharia dos
biofilmes
Introdução
As décadas de afirmação
Os saltos quânticos na ciência dos biofilmes:
biotecnologia molecular, microscopia confocal
e simulação computacional



2




2.1
2.2







2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

Que vantagens têm os microrganismos em
formar um biofilme?
Introdução
A formação de biofilmes facilita a adaptação a novos
ambientes
O biofilme como proteção física dos microrganismos
O biofilme como fator de colonização
O biofilme como potencial metabólico
O biofilme como fonte de informação genética
Conclusões







3
3.1
3.2
3.3
3.4

O impacto dos biofilmes na atividade humana
Biofilmes no meio ambiente, na indústria e na saúde
Biofilmes benéficos
Biofilmes prejudiciais
Conclusão



4




4.1
4.2



4.3

A matriz dos biofilmes: o truque para
sobreviver nas mais hostis condições ambientais
O que é a matriz do biofilme?
Que funções desempenham as diferentes matrizes
dos biofilmes?
Um biofilme sobreviveria sem matriz?



Secção II: Biofilmes na saúde



5





5.1
5.2
5.3

Prevalência de biofilmes nosocomiais em
Portugal e no Brasil
O que são infeções nosocomiais
Qual o papel dos biofilmes nas infeções nosocomiais
Prevalência de infeções nosocomiais derivadas de
biofilmes a nível mundial



6






6.1
6.2
6.3
6.4



6.5

Biofilmes de Staphylococcus em dispositivos
médicos
Dispositivos médicos
Género Staphylococcus
Formação de biofilme em Staphylococcus
Controlo das infeções por Staphylococcus em
dispositivos médicos
Conclusão
















7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6

Impacto dos biofilmes na fibrose cística
Introdução
Fibrose cística
Microbiologia da infeção pulmonar
Biofilmes na CF
Estratégias terapêuticas para o combate da CF
Perspetivas futuras (CF no século XXI)

8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5

Biofilmes em cateteres urinários
Introdução
Agentes colonizadores
Formação de biofilmes em cateteres urinários
Tipos de biofilmes em cateteres urinários
Estratégias usadas para minimizar a formação de
biofilmes em cateteres urinários








9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5



9.6

Biofilmes orais
Introdução
Diversidade microbiana
Biofilmes orais
Biofilmes e doença oral
Estratégias terapêuticas para o controlo de biofilmes
orais
Metodologias para o estudo de biofilmes orais





10
10.1
10.2






10.3
10.4
10.5
10.6



11







11.1
11.2
11.3
11.4
11.5

O papel dos biofilmes na vaginose bacteriana
Definição científica de biofilmes vaginais
Vaginose bacteriana: prognóstico clínico e
epidemiologia
Caracterização microbiana dos biofilmes vaginais
Formação e morfologia de biofilmes vaginais
Interação com a microflora vaginal endógena
Resposta imunológica e tratamento da vaginose
bacteriana
O impacto clínico de biofilmes de espécies de
Candida
Introdução
Espécies de Candida e candidíases
Biofilmes de Candida
Resistência dos biofilmes
Conclusões



Secção III: Biofilmes no meio ambiente





12
12.1
12.2




12.3
12.4

Utilização de biofilmes em biorremediação
Introdução
Biotransformação de compostos orgânicos e
inorgânicos
Fatores que afetam a recalcitrância
Biodegradação de contaminantes orgânicos comuns







13
13.1
13.2
13.3
13.4

Comunidades microbianas em grânulos
Breve história/enquadramento
Vantagens da granulação
Teorias da granulação
Inibidores e/ou tóxicos

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TÍTULO

Biofilmes
Na Saúde, no Ambiente, na Indústria


19.4.1
19.4.2
19.4.3

Suportes
Aplicação de reatores de leito móvel em ETARs
Nota sobre sistemas granulares aeróbios
Células de Combustível Microbianas: uma
oportunidade biotecnológica de tratamento
de águas residuais e produção de bioenergia
Bioeletricidade: princípios e fundamentos
Construção de uma MFC
Aplicação a ETARs



Secção V: Controlo da formação de biofilmes

Biofilmes em monumentos
Biofilmes em monumentos: definições e estrutura
Métodos de estudo dos biofilmes em monumentos
Casos de estudo



20




20.1
20.2



Secção IV: Biofilmes na indústria




20.3
20.4

O problema da resistência a antibióticos em
biofilmes
Introdução
Mecanismos de resistência dos biofilmes aos
antibióticos
Perspetivas futuras
Conclusão


16

16.1

16.2

16.3
16.3.1
16.3.2

16.4

16.5

16.6

16.7

Reatores de biofilme
Introdução
Caracterização dos reatores de biofilme
Determinação do padrão hidrodinâmico
Modelos de Fluxo não-Ideal
A importância do tipo de traçador
Limitações à transferência de massa
A seleção do suporte
Arranque do reator de biofilme
Conclusão e perspetivas futuras



21





17
17.1
17.2

21.1
21.2
21.3
21.4
21.5
21.6
21.7
21.8
21.9
21.10
21.11



17.3



22




17.4
17.5

Biofilmes em condutas de água potável
Introdução
Fatores que influenciam a formação de biofilmes nas
condutas de água
Impacto dos biofilmes em condutas de água potável
na saúde pública
Outros problemas associados à presença de biofilmes
Corrosão dos materiais das tubagens
















22.1
22.2







18
18.1
18.2
18.3
18.4





22.3
22.4
22.5



22.6



18.5



23



18.6



19








19.1
19.1.1
19.1.2
19.2
19.3
19.3.1







23.1
23.2
23.3
23.4
23.5



24




24.1
24.2





13.5
13.6
13.7

Exemplos de aplicação
Monitorização e controlo
Grânulos aeróbios









14
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
14.6

Biofilmes microalgais
Introdução
Ocorrência e diversidade
Atividade fotossintética e produtividade primária
Migração vertical
Exopolissacarídeos e bioestabilização de sedimentos
Métodos de estudo






15
15.1
15.2
15.3

Biofilmes na indústria alimentar
Introdução
Patogénicos alimentares
Presença de biofilmes na indústria alimentar
Fatores envolvidos na formação de biofilmes de
Listeria e Salmonella
Adesão e formação de biofilmes de Salmonella e
Listeria em aço inoxidável
Conclusões
Biofilmes nas Estações de Tratamento de Águas
Residuais
Tratamento de águas residuais
Breve resumo histórico
Processos biológicos
Sistemas de biofilmes
Configurações de sistemas de biofilmes
Reatores de leito móvel

19.3.1.1
19.3.1.2
19.3.1.3

19.4

A resposta do sistema imunitário a infeções
por biofilmes
O sistema imunitário
Imunidade inata
Imunidade adquirida
Interação biofilme-hospedeiro
Biofilmes de Staphylococcus
Biofilmes urinários formados por Escherichia coli
Biofilmes orais
Biofilmes de Pseudomonas aeruginosa
Perspetivas futuras de estratégias imunológicas
Vacinação
Estímulo da fagocitose
Uso de bacteriófagos para o controlo de
biofilmes
Introdução
Perspetiva histórica da utilização de bacteriófagos no
controlo de doenças infeciosas
Biologia dos bacteriófagos
Interações fago-biofilme
Aplicação de fagos e lisinas para controlo de
biofilmes
Perspetivas futuras
O uso de probióticos no controlo da formação
de biofilmes
Introdução
Probióticos
Mecanismos de ação dos probióticos
Controlo da formação de biofilmes
Perspetivas futuras
Estratégias de controlo de biofilme com
recurso a produtos naturais antimicrobianos
Introdução
Produtos naturais antimicrobianos

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TÍTULO

Biofilmes
Na Saúde, no Ambiente, na Indústria




24.3
24.4



24.5

Aplicabilidade dos produtos naturais antimicrobianos
Principais dificuldades associadas aos produtos
naturais
Perspetivas futuras









25
25.1
25.2
25.3
25.4
25.5
25.6

Controlo químico de biofilmes industriais
Introdução
Limpeza e desinfeção
Mecanismos de ação antimicrobiana
Resistência microbiana a biocidas
Fatores que afetam a ação de biocidas
Perspetivas futuras



Secção VI: Modelação de biofilmes e
bioinformática



26






26.1
26.2
26.3
26.4

Adesão microbiana a superfícies bióticas e
abióticas
A importância da adesão na formação de biofilmes
Adesão a superfícies abióticas
Adesão a superfícies bióticas
Conclusões







27
27.1
27.2
27.3
27.4

Modelação de biofilmes
Definições básicas
Modelação baseada no método dedutivo
Tipos e seleção de modelos
Utilidade dos modelos de biofilmes



28






28.1
28.2
28.3
28.4

Aquisição e análise de dados de biofilme em
larga escala
Introdução
Desenho e execução laboratorial
Tratamento estatístico
Conclusões



31.2





31.3
31.4
31.5



32


32.1

32.2
32.2.1
32.2.2

32.3
32.3.1
32.3.2


33




33.1
33.2

33.2.1
33.2.2

33.3
33.3.1
33.3.2

33.4
33.4.1
33.4.2


34




34.1
34.2



Secção VII: Métodos e protocolos para a
formação e estudo de biofilmes


34.2.1







29
29.1
29.2
29.3
29.4

Métodos de adesão inicial in vitro
Métodos de adesão inicial in vitro
Adesão estática
Adesão dinâmica
Determinação da hidrofobicidade





30







30.1
30.2
30.3
30.4
30.5



31



31.1

Métodos para o estudo de biofilmes em
biorreatores
Introdução aos métodos para análise de biofilme
Métodos de análise de biofilmes em células de fluxo
Métodos de análise das células do biofilme
Microplacas no estudo de biofilme
Métodos de análise de biofilme em microplacas
Técnicas de microscopia para o estudo de
biofilmes
Introdução

34.2.2


34.2.3


34.3


34.3.1




Microscopia de campo claro, contraste de fase e
contraste por interferência diferencial
Microscopia de fluorescência
Microscopia confocal
Protocolos de preparação e visualização de amostras
de biofilme por microscopia
Utilização de proteínas de fusão para estudo
de biofilmes
Introdução
O vetor de fusão da beta-galactosidase
Material e reagentes
Procedimento experimental
O vetor de fusão da proteína verde fluorescente
Material e reagentes
Procedimento experimental
Métodos imunológicos aplicados nos estudos
de biofilmes
Introdução
Quantificação do número de bactérias em biofilmes
por citometria de fluxo
Material
Procedimento experimental
Quantificação da expressão proteica por ELISA
Material e soluções
Procedimento experimental
O Western-blot e a deteção de proteínas específicas
Material e soluções
Procedimento experimental
Métodos de tipagem molecular para a
caracterização de biofilmes
Introdução
Tipagem de comunidades microbianas mistas
utilizando técnicas
dependentes de PCR
Análise da diversidade microbiana através de
eletroforese em gel com
gradiente desnaturante (DGGE, Denaturing Gradient
Gel Electrophoresis)
Análise da diversidade microbiana através de
polimorfismo
do tamanho dos fragmentos terminais de restrição
(T-RFLP, Terminal Restriction Fragment Length
Polymorphism)
Clonagem e sequenciação do gene 16S rRNA para
identificação filogenética
de microrganismos
Tipagem de estirpes microbianas utilizando técnicas
independentes de PCR
Eletroforese em Gel de Campo Pulsado (PFGE, Pulsed
Field Gel Electrophoresis)
Índice de microrganismos
Glossário

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