1 CRESCIMENTO MICROBIANO

1.1 Fatores Físicos

Incluem temperatura, pH e pressão osmótica.

Influência dos fatores físicos

1. Classificar os microrganismos em cinco grupos com base na faixa de temperatura

ótima para seu crescimento.

2. Identificar os mecanismos que controlam as variações de pH no meio de cultura

3. Explicar a importância da pressão osmótica para o crescimento microbiano.

1.1.1 Temperatura

A maioria dos microrganismos cresce bem nas temperaturas ideais para os seres humanos. No

entanto, certas bactérias são capazes de crescer em temperaturas extremas, onde a maioria

dos organismos eucarióticos não sobreviveria.

Os microrganismos são classificados em três grupos primários considerando as variações na

temperatura de crescimento: psicrófilos (crescem em baixas temperaturas), mesófilos (crescem

em temperaturas moderadas) e termófilos (crescem em altas temperaturas). A maioria dos

microrganismos cresce dentro de variações limitadas de temperatura, sendo que a temperatura

máxima e mínima de crescimento pode-se distanciar somente em 30ºC.

1.1.2 pH

O pH foi definido como a acidez ou a alcalinidade de uma solução. A maioria das bactérias

cresce melhor dentro das variações pequenas de pH sempre perto da neutralidade, entre pH

6,5 e 7,5. Poucas bactérias são capazes de crescer em pH ácido como pH 4,0.

Um tipo de bactéria quimioautotrófica encontrada em águas de drenagem de minas de carvão,

oxidando enxofre para formar ácido sulfúrico, pode sobreviver em valores de pH 1,0. Os fungos

filamentosos e as leveduras podem crescer em variações de pH maiores que as bactérias,

sendo, no entanto, os valores ótimos de pH para fungos geralmente inferior, entre pH 5 e 6.

1.1.3 Pressão Osmótica

Os microrganismos retiram da água, presente no seu meio ambiente, a maioria dos seus

nutrientes solúveis. A água presente dentro da célula pode ser removida por elevações na

pressão osmótica. Quando uma célula microbiana se encontrar em uma solução contendo uma

concentração de sais superior àquela do interior da célula ocorrerá a passagem da água de

dentro da célula, através da membrana plasmática, para o meio extracelular. A perda de água

por osmose causa a plasmólise ou diminuição da membrana plasmática da célula.

A importância deste fenômeno está na inibição do crescimento no momento em que a

membrana plasmática se separa da parede celular. Assim, a adição de sais em uma solução,

com conseqüente aumento da pressão osmótica, pode ser utilizada na preservação dos

alimentos, pois a alta concentração de sal ou de açúcar remove a água do interior da célula

microbiana impedindo seu crescimento.

1.2 Fatores Químicos

São necessários água, fontes de carbono e nitrogênio, minerais, oxigênio e fatores orgânicos

de crescimento.

Influências dos fatores químicos:

1. Determinar o uso de cada um dos quatro elementos (carbono, nitrogênio, enxofre e

fósforo) necessários para o crescimento microbiano.

2. Explicar como ocorre a classificação dos microrganismos usando como referência as

necessidades de oxigênio.

3. Identificar os mecanismos utilizados pelos microrganismos para evitar os efeitos

tóxicos da formas de oxigênio.

1.2.1 Carbono

O carbono, junto com a água, é um dos elementos mais importantes para o crescimento

microbiano. O carbono é essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos

necessários para a viabilidade celular sendo considerado o elemento estrutural básico para os

seres vivos.

1.2.2 Nitrogênio, Enxofre e Fósforo

Os organismos utilizam nitrogênio inicialmente para sintetizar os grupos amino que estão

presentes nos aminoácidos fazendo parte das proteínas. Muitas bactérias obtêm estes

compostos nitrogenados sintetizados pela célula. Outras bactérias utilizam nitrogênio a partir de

íons. O enxofre é utilizado a síntese dos aminoácidos contendo enxofre e de vitaminas como a

tiamina e biotina. As fontes naturais de enxofre importantes incluem o íon sulfato, sulfito de

hidrogênio e aminoácidos que contêm enxofre na sua estrutura. O fósforo é essencial para a

síntese dos ácidos nucléicos e para os fosfolipídios componentes da membrana celular. O

potássio, o magnésio e o cálcio também são elementos necessários para os microrganismos

frequentemente como co-fatores para reações enzimáticas.

1.2.3 Oxigênio

Grande dos organismos vivos, devido ao seu metabolismo, atualmente necessita de oxigênio

para sua respiração aeróbica.

Os microrganismos capazes de utilizar oxigênio molecular são capazes de produzir mais

energia a partir do uso de nutrientes que organismos que não usam o oxigênio (anaeróbicos).

Os aeróbicos obrigatórios possuem uma desvantagem em relação aos outros organismos, pois

o oxigênio não é capaz de dissolver-se eficientemente na água do seu meio ambiente

apresentando, portanto baixos níveis de oxigênio dissolvido. Em função disso muitas bactérias

aeróbicas desenvolveram a capacidade de continuar seu crescimento na ausência de oxigênio.

1.2.4 Água

Essencial a qualquer microrganismo, embora as necessidades sejam variadas. É o solvente

universal, mas sua disponibilidade é variável (soluções com açúcares ou sais têm menos água

disponível).

Aw: pressão do vapor em equilíbrio com a solução/ pv da água, variando de 0 a 1. Os

organismos que vivem em ambientes onde a disponibilidade de água é baixa desenvolvem

mecanismos para extrair água do ambiente, pelo aumento da concentração de solutos internos,

seja bombeando íons para o interior ou sintetizando ou concentrando solutos orgânicos

(solutos compatíveis), que podem ser açucares, álcoois ou aminoácidos (prolina, betaine,

glicerol).

1.2.5 Fatores Orgânicos de Crescimento

São aqueles compostos orgânicos essenciais que o organismo não é capaz de sintetizar

necessitando retirá-los do meio ambiente. As vitaminas são os fatores orgânicos de

crescimento para os homens. Muitas vitaminas têm a função de coenzimas necessárias para

suas atividades enzimáticas sendo independentes de fontes extracelulares. No entanto, em

algumas bactérias certas vitaminas são consideradas como fatores orgânicos de crescimento

devido à ausência de enzimas que participam das rotas metabólicas de sua síntese. Outros

fatores orgânicos de crescimento necessários para algumas bactérias podem ser aminoácidos

purinas e pirimidinas.

2 CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS

2.1 Divisão bacteriana

Como mencionado no início do capítulo, o crescimento bacteriano é considerado o aumento do

número de indivíduos e não o aumento de tamanho de uma determinada célula. As bactérias

normalmente se reproduzem por fissão binária. Na primeira etapa da divisão (1) ocorre o

alongamento da célula e replicação do DNA cromossomal. Ocorre depois o (2) início da

invaginação da parede celular e da membrana plasmática no local entre os dois DNAs

cromossomais. Em determinado momento (3) as duas seções da parede celular se encontram

formando uma parede através da célula, sendo, finalmente, (4) produzidas duas células

individuais idênticas à célula parental.

Poucas espécies bacterianas podem-se reproduzir por brotamento, formando uma pequena

região que inicia um crescimento (um broto) que quando atinge o tamanho aproximado da

célula parental se separa. Algumas bactérias filamentosas (certos actinomicetos) se

reproduzem através de uma cadeia de esporos que são mantidos externamente nas pontas

dos filamentos. Poucas espécies bacterianas filamentosas simplesmente se fragmentam e

estes fragmentos iniciam o crescimento de uma nova célula.

2.2 Tempo de Geração

Para o cálculo do tempo de geração bacteriana consideraremos somente o tipo de divisão por

fissão binária, pois é o método de reprodução mais comumente encontrado.

O tempo necessário para uma célula se dividir (e sua população dobrar de tamanho) é

denominado tempo de geração. Este tempo pode sofrer variações entre os organismos e

dependem das condições ambientais, como temperatura. A maioria das bactérias apresenta

um tempo de geração de 1 a 3 horas, mais algumas bactérias podem necessitar de mais de 24

horas para cada geração. (As informações necessárias para o cálculo do tempo de geração

são apresentadas o apêndice.) Um grande número de células será produzido quando o

processo de fissão binária ocorrer na ausência de controle. Uma célula com tempo de

duplicação de 20 minutos - como exemplo temos a bactéria E.coli crescendo em condições

ideais de cultivo aumentará seu número após 20 gerações, para aproximadamente 1 milhão de

células. Este aumento ocorrerá em aproximadamente 7 horas. Após 30 gerações, ou 10 horas,

a população será de 1 bilhão e em 24 horas serão um número contendo 21 zeros. A

representação gráfica de populações tão grandes, utilizando numeração aritmética, torna-se

bastante dificultada. Portanto são utilizadas normalmente escalas logarítmicas para representar

graficamente o crescimento bacteriano. O entendimento das representações logarítmicas das

populações bacterianas necessita da utilização da matemática sendo fundamental para os

microbiologistas.

2.3 Fases de Crescimento

2.3.1 Fase Lag

Durante certo período de tempo o número de células sofre pequenas variações, pois as

bactérias não se reproduzem imediatamente quando são colocadas em um novo meio de

cultura. Este período em que ocorre pouca ou ausência de divisão celular é denominado fase

Lag podendo-se estender-se por uma hora até vários dias. Durante este tempo as células se

encontram em um estado de latência. Está ocorrendo nesta população um período de intensa

atividade metabólica, principalmente síntese de DNA e de enzimas.

2.3.2 Fase Log

A partir de um determinado momento as células iniciam seu processo de divisão entrando no

período de crescimento ou aumento logarítmico denominado fase log ou fase de crescimento

exponencial. Durante este período a reprodução celular encontra-se extremamente ativa onde

o tempo de geração atinge um valor constante. O gráfico logarítmico dessa fase de

crescimento é uma linha reta devido a este tempo de geração constante. Esta fase log é o

período de maior atividade metabólica da célula sendo o estágio preferido para fins industriais,

pois o produto necessário seria produzido eficientemente. No entanto, nesta fase de

crescimento log os microorganismos são particularmente sensíveis as mudanças ambientais.

As radiações ou mesmo muitos dos compostos antimicrobianos – o antibiótico ampicilina, por

exemplo – afetam fases importantes do desenvolvimento celular sendo, portanto extremamente

danosos nesta fase de crescimento.

2.3.3 Fase Estacionária

Nesta fase, os nutrientes estão escasseando e os produtos tóxicos estão tornando-se mais

abundantes. Nesta etapa não há um crescimento líquido da população, ou seja, o número de

células que se divide é equivalente ao número de células que morrem. Na fase estacionária

que são sintetizados vários metabólitos secundários, que incluem antibióticos e algumas

enzimas. Nesta etapa ocorre também a esporulação das bactérias. Foram detectados alguns

genes (sur) que são necessários à sobrevivência das células na fase estacionária. Além

destes, existem outros genes (fatores s alternativos da RNA polimerase, proteínas protetoras

contra dano oxidativo).

2.3.4 Fase de Declínio ou Morte Celular

A maioria das células está em processo de morte, embora outras ainda estejam se dividindo. A

contagem total permanece relativamente constante, enquanto a de viáveis cai lentamente. Em

alguns casos há a lise celular.

Culturas descontínuas tendem a sofrer mutações que podem repercutir na população como um

todo. As próprias condições ambientais tendem a promover variações de caráter fenotípico

(reversível) nas culturas.

Em geral temos o gráfico que indica as fases:

2. 4 Crescimento em culturas contínuas

Técnica muito usada nos processos industriais de obtenção de produtos microbiológicos.

Nestes casos, tem-se o interesse em manter as células em fase log ou estacionária. Utilizam-

se fermentadores ou quimiostatos, que permitem um crescimento em equilíbrio dinâminco,

havendo assim um controle da densidade populacional e da taxa de crescimento. Estes são

respectivamente controlados pela concetração do nutriente limitante (fonte de C ou N) e pela

taxa de fluxo (taxa de diluição). Em baixas concentrações do nutriente limitante, a taxa de

crescimento é proporcional à concentração do nutriente (que é virtualmente zero).

2.5 Crescimento Sincronizado

Inicialmente obtido por processos que retardavam a síntese de DNA. Atualmente, utiliza-se

métodos de separação mecânica das células menores, recém-divididas. Pode ser feita pela

filtração em vários papéis de filtro, que retém células maiores, em fase de divisão.

REFERÊNCIAS

TORTORA, G; FUNKE, B; CASE, C; Microbiologia 6ª. Ed. São Paulo Artmed 2003 p. 154-171

CRESCIMENTO MICROBIANO – Curva de Crescimento

Disponível em< http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/crescimento/crescimento.html>