Fisiologia Microbiana

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1 FATORES AMBIENTAIS QUE AFETAM O CRESCIMENTO MICROBIANO A compreensão da influência dos fatores ambientais no crescimento/atividade microbiana, ajuda-nos a explicar a distribuição dos microrganismos na natureza e a definir as condições que permitem controlar (otimizar, inibir ou eliminar) o crescimento e a atividade microbiana, no laboratório ou na indústria. Fatores físicos 1. Temperatura: À medida que a temperatura aumenta num intervalo, o crescimento e o metabolismo aumentam até ao ponto em que as reações de desnaturação se instalam. Acima deste ponto, as funções da célula tornam-se nulas. Para cada microrganismo existem três temperaturas cardeais: Temperatura mínima de crescimentos: devido à pouca fluidez da membrane (membrane congelada), não haverá condições para troca de nutrientes a nível da mesma, por consequência, não haverá crescimento a taxas consideráveis; Temperatura ótima de crescimento: as enzimas do metabolismo encontram a temperatura à qual a velocidade das reações enzimáticas será máxima. Podemos considerar que a esta temperatura o kc será máximo; Temperatura máxima de crescimento: devido à desnaturação proteica e à fluidez da membrana, não irá ocorrer crescimento. Para além disso, baseando-se na margem de temperatura de crescimento e na sua temperatura ótima, os microrganismos são divididos em grupos. 2. Disponibilidade de água: A disponibilidade de água não só depende do teor de água absoluto de um meio ambiente, isto é, quão húmido ou seco o meio é, mas também tem uma função da concentração de solutos, tais como sais, açucares, ou outras substâncias que estão dissolvidas na água. As substâncias dissolvidas têm uma afinidade para a água, o que faz com que a água associada com solutos esteja menos disponível para os organismos. A água do mar tem cerca de 3% de NACl. Os organismos marinhos, normalmente têm uma necessidade específica para o NaCl, e o seu crescimento ótimo acontece com níveis de atividade da água de ambientes marinhos. Tais organismos são chamados halófilos e, por definição, estes organismos requerem algum NaCl para o seu crescimento, mas o valor ótimo varia de acordo com o organismo.

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    FATORES AMBIENTAIS QUE AFETAM O CRESCIMENTO MICROBIANO

    A compreenso da influncia dos fatores ambientais no crescimento/atividade microbiana, ajuda-nos a

    explicar a distribuio dos microrganismos na natureza e a definir as condies que permitem controlar

    (otimizar, inibir ou eliminar) o crescimento e a atividade microbiana, no laboratrio ou na indstria.

    Fatores fsicos

    1. Temperatura: medida que a temperatura aumenta num intervalo, o crescimento e o metabolismo

    aumentam at ao ponto em que as reaes de desnaturao se instalam. Acima deste ponto, as funes da

    clula tornam-se nulas.

    Para cada microrganismo existem trs temperaturas cardeais:

    Temperatura mnima de crescimentos: devido pouca fluidez da membrane (membrane congelada), no haver condies

    para troca de nutrientes a nvel da mesma, por consequncia, no

    haver crescimento a taxas considerveis;

    Temperatura tima de crescimento: as enzimas do metabolismo encontram a temperatura qual a velocidade das

    reaes enzimticas ser mxima. Podemos considerar que a esta

    temperatura o kc ser mximo;

    Temperatura mxima de crescimento: devido desnaturao proteica e fluidez da membrana, no ir ocorrer crescimento.

    Para alm disso, baseando-se na margem de temperatura de crescimento e na sua temperatura tima, os

    microrganismos so divididos em grupos.

    2.

    Disponibilidade de gua: A disponibilidade de gua no s

    depende do teor de gua absoluto de um meio ambiente, isto ,

    quo hmido ou seco o meio , mas tambm tem uma funo da

    concentrao de solutos, tais como sais, aucares, ou outras

    substncias que esto dissolvidas na gua. As substncias

    dissolvidas tm uma afinidade para a gua, o que faz com que

    a gua associada com solutos esteja menos disponvel para

    os organismos.

    A gua do mar tem cerca de 3% de NACl. Os organismos

    marinhos, normalmente tm uma necessidade especfica para o

    NaCl, e o seu crescimento timo acontece com nveis de

    atividade da gua de ambientes marinhos. Tais organismos so

    chamados halfilos e, por definio, estes organismos requerem

    algum NaCl para o seu crescimento, mas o valor timo varia de

    acordo com o organismo.

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    Os microrganismos halotolerantes conseguem tolerar uma pequena reduo na atividade da gua no

    seu ambiente, mas crescem melhor na ausncia do

    soluto adicionado.

    Estes organismos, capazes de crescer em ambientes muito salgados, so chamados halfilos extremos.

    Os organismos que crescem em ambientes muito secos devido falta de gua (e no devido aos solutos

    dissolvidos) chamam-se xerfilos.

    Os organismos capazes de viver em ambientes com elevadas concentraes de acar como soluto chamam-

    se osmfilos.

    Quando um organismo cresce num meio com baixa atividade de gua, pode obter gua do meio por aumento

    da concentrao interna de solutos e deixando entrar gua por osmose. A concentrao interna de solutos

    pode ser aumentada de duas formas: entrada de solutos do meio externo para a clula ou atravs da sntese

    de algum soluto, O soluto produzido internamente para o ajuste da atividade da gua no citoplasma deve ser

    no-inibitrio para a atividade das macromolculas da clula. Tais compostos so chamados de solutos

    compatveis.

    3. Disponibilidade de oxignio: Podemos encontrar organismos aerbios obrigatrios (necessitam de O2

    para crescer e utilizam a respirao aerbia para o metabolismo), facultativos (no requerem O2 mas

    crescem mais facilmente na sua presena), ou microaerbios (requerem O2, mas a nveis inferiores aos

    atmosfricos).. Existem microrganismos anaerbios obrigatrios (o O2 um fator letal ou inibidor do

    crescimento) e aerotolerantes (no requerem O2 e crescem melhor na sua ausncia, obtm energia atravs

    da fermentao.

    Fatores qumicos

    1. pH:

    Os microrganismos acidfilos crescem abaixo de 5.5, enquanto os alcalfilos se desenvolvem a valores

    elevados de pH entre 8 a 11,5. Por outro lado, os neutrfilos (bactrias) preferem pH de 5,5 a 8.

    O pH timo para o crescimento de qualquer organismo a medida do pH do meio extracelular. O pH do

    meio intracelular deve manter-se relativamente perto do pH neutro para evitar a destruio de

    macromolculas da clula.

    Leveduras e fungos filamentosos preferem pH entre 5 e 6.

    Produtos cidos do metabolism, em particular do bacteriano, interferem com o crescimento.

    Mecanismos intrnsecos ou de adaptao para a homeostasia do pH intracelular:

    - Composio da membrane plasmtica (maior impermeabilidade a protes)

    - Mecanismos de antiporte com protes

    - Bombas de protes

    - Constituintes celulares com efeito tampo

    2. Natureza e concentrao dos nutrientes: Alguns nutrientes, os macronutrientes, so necessrios em

    grandes quantidades, enquanto os micronutrientes, so necessrios em pequenas quantidades.

    Para alm da gua, que ocupa 70% de todo o peso de uma clula microbiana, as clulas so constitudas

    essencialmente por macromolculas como protenas, cidos nucleicos, lpidos e polissacardeos. Os

    elementos essenciais compem os monmeros destas molculas aminocidos, nucletidos, cidos gordos e aucares.

    3. Presena de compostos txicos: No o oxignio que txico, mas sim os seus derivados, que podem

    danificar as clulas que no esto preparadas para lidar com eles.

    Inibio de crescimento no associada a perda de viabilidade

    Ex: O efeito inibitrio reflete inibio a nvel do transporte de nutrientes atravs da membrana plasmtica ou

    do metabolismo, ou o aumento da energia de manuteno. Doses/concentraes letais.

    Inibio de crescimento associada a perda de viabilidade

    O crescimento observado resultado lquido de parte da populao e de morte de outra parte da populao.

    Doses/concentraes letais.

    CRESCIMENTO MICROBIANO

    O crescimento microbiano definido como um aumento do nmero de clulas numa dada populao.

    . O tempo de duplicao (td) ou de gerao corresponde ao tempo que uma dada populao de

    microrganismos demora a duplicar o seu nmero (dobrar a biomassa), ou ento, pelo tempo

  • 3

    que uma clula demora a dividir-se.

    Ciclo celular microbiano:

    Fase lag: O crescimento geralmente s se inicia

    depois de um perodo de tempo a que chamamos

    fase de latncia. Isto pode ser explicado pelo

    facto de quando o microrganismo enfrenta uma

    nova realidade metablica (diferentes

    nutrientes) ter de sintetizar toda a maquinaria

    metablica para comear a degradas o nutriente

    em questo.

    Fase exponencial: durante esta fase, cada clula

    divide-se em duas, e cada um delas passa pelo

    mesmo processo de reproduo durante algum

    tempo, dependendo dos recursos disponveis e de outros fatores. Durante esta fase as clulas encontram-se

    no seu melhor estado. Nesta fase, o crescimento diz-se equilibrado porque todos os constituintes celulares

    esto a ser produzidos a taxas constantes. Como a composio qumica celular constante, podemos

    determinar o crescimento dos microrganismos de vrias foras: consumo de glucose, formao de protena ou

    aumento da biomassa.

    a fase exponencial que pode ser usada para caracterizar a cintica de crescimento da populao. Esta fase

    ser utilizada para calcular o Kc constante de crescimento que ser mximo.

    Fase estacionria: corresponde ao nutriente limitante que tenha esgotado e/ou um produto de excreo

    (toxinas) do organismo comea a acumular-se no meio, inibindo o crescimento.

    Nesta fase no h aumento nem diminuio no nmero de clulas e, por isso, a taxa de crescimento da

    populao nula (Kc=0). Apesar de no haver um aumento na populao, muitas das funes celulares

    continua a ocorrer, incluindo os processos de metabolismo e de vias biossintticas. Algumas clulas podem

    mesmo dividir-se, mas isso no resulta num aumento do nmero de clulas, uma vez que outras morrem,

    havendo um balano entre os dois fenmenos.

    Fase de morte: Neste caso as populaes entram em fase de declnio ou morte (pode ser acompanhado por

    lise celular).

    Matemtica do crescimento microbiano

    Determinar o Kc

    = 0 (0)

    O N corresponde a um dado nmero de clulas, num dado momento e o N0 o nmero de clulas iniciais.

    = 0

    0

    Um maior declive da reta indica maior taxa especfica de crescimento, e menor tempo de duplicao.

    Determinar o Td

    =2

    EFEITO DA CONCENTRAO DO NUTRIENTE LIMITANTE

    Efeito no Kc

    Os aucares (ex. glucose), comparativamente com os cidos carboxlicos ou os lcoois, quando utilizados

    como nica fonte de carbono e energia asseguram, regra geral, valores mais elevados de Kc.

    Um nutriente, num dado meio de cultura, diz-se limitante quando o seu esgotamento determina a paragem do

    crescimento (ou seja, a entrada da cultura em fase estacionria), enquanto todos os outros nutrientes

    permanecem em excesso. Geralmente esses nutrientes so fontes de carbono e azoto, uma vez que estes so

    os principais elementos constituintes da biomassa.

    Quando o crescimento microbiano limitado por baixas concentraes de um dado nutriente, o rendimento

    do crescimento final aumenta com a quantidade de nutriente limitante presente, a taxa especfica

    tambm aumenta com este aumento de nutriente, mas manifesta o uptake do microrganismo pela utilizao

    dos transportadores especficos de membrana. Em elevadas concentraes de nutriente, os nveis do sistema

    de transportadores encontram-se saturados e no h um aumento da taxa especfica de crescimento mesmo

    com

    o aumento da concentrao do nutriente.

    Numa cultura batch (cultura em sistema fechado), a concentrao de nutriente pode afetar tanto a taxa

    de crescimento como o rendimento de crescimento. A concentraes muito baixas de um dado nutriente, a

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    taxa de rendimento submxima porque o nutriente no pode ser transportado para a clula suficientemente

    rpido para satisfazer as necessidades metablicas. A nveis de nutriente moderados ou altos,

    Efeito no rendimento de biomassa

    O Y (rendimento em biomassa em relao ao nutriente limitante (Yxs)) definido pela quantidade de

    biomassa produzida (X) por quantidade de nutriente limitante consumido (S) e pode ser estimado a partir do

    declive da reta, sendo o intervalo de concentraes que asseguram um valor mximo de .

    =

    =

    =

    Para microrganismos aerbios facultativos, como a S. cerevisiae, o YXS em relao glucose pode variar

    drasticamente com a disponibilidade em O2 (efeito de Pasteur) e com a concentrao de glucose (Efeito de

    Crabtree).

    Os organismos crabtree positivos, so microrganismos cujo metabolismo energtico inibido por grandes

    concentraes de Carbono, tal acontece porque nessas circunstncias o metabolismo energtico vai tender a

    ser fermentativo. Para se promover o metabolismo respiratrio, deve-se baixar as concentraes de carbono

    e aumentar a aerao, aumentando a disponibilidade de oxignio.

    O YXS em culturas com concentraes limitantes de glucose, em condies em que as clulas

    essencialmente respirem, pode ser to elevado como 0,5 gbiomassa/gglucose. Na presena de concentraes

    elevadas de glucose, em que as clulas essencialmente fermentam, o rendimento em biomassa menor,

    aproximadamente 0,1-0,2 gbiomassa/gglucose.

    Equao de Monod

    =max[]

    +

    onde max representa o valor de quando S se encontra em concentrao saturante (taxa e especifica mxima de

    crescimento na fase de plateau), e Ks a constante de meia saturao

    que representa a concentrao de substrato para a qual se atinge um

    valor de igual a metade do valor de max.

    Constante de saturao (ks)

    As protenas encontram-se saturadas ou as reaes enzimticas no podem dar-se mais rapidamente.

    Relacionar o Ks com a afinidade

    A afinidade e os Ks tm uma proporo inversa, sendo que um microrganismo com um Ks baixo tem uma

    afinidade elevada para o nutriente.

    Determinao experimental dos valores dos parmetros cinticos de crescimento (Ks e Kcmx)

    Para a determinao experimental de maxe Ks que so designados de parmetros cinticos do crescimento recorre-se a uma forma linearizada (y=mx+b) da equao de Monod,

    de acordo com a seguinte equao:

    1

    =

    +[]

    max[S]

    1

    =

    max

    1

    []+

    1

    max

  • 5

    Em (a), max maior em B que em A. Por outro lado o Ks maior em A e menor

    em B, e consequentemente B tem uma maior

    afinidade para o substrato e, em fase

    estacionria, iriam existir mais microrganismos

    B que A.

    Em (f), primeiramente maior que A (menor

    Ks e maior max ), depois ocorre uma inverso e A vai predominar. Isto vai

    possibilitar perceber como que um dado

    organismo vai reagir na presena de um

    nutriente limitante e como este

    afeta o Ks e o max.

    Crescimento diuxico

    Uma das consequncias da represso catablica que esta pode levar a duas fases de crescimento

    exponencial, uma situao chamada de crescimento diuxico.

    Se estiverem presentes no meio duas fontes teis de energia, as clulas crescem utilizando primeiro a

    melhor fonte de energia. O crescimento pra quando esta fonte esgotada, seguindo-se um perodo de

    latncia, e o crescimento retoma com a outra fonte de energia.

    O que acontece na fase de latncia uma adaptao

    das clulas para conseguirem utilizar o segundo

    acar, que no foi consumido antes porque era

    necessria a produo de enzimas para o seu

    metabolismo.

    Nem sempre necessrio uma cultura com duas fontes

    de energia para observar este tipo de crescimento. Ao

    metabolizar o substrato dado, por exemplo a glucose,

    os microrganismos originam produtos desse

    metabolismo, como o etanol, que podem ser usados

    como fonte de carbono e energia quando o primeiro

    nutriente esgota.

    No caso da E. coli, quando se encontra numa

    cultura mista de glucose e lactose, cresce mais

    rapidamente em glucose do que lactose. Embora os

    dois acares sejam excelentes fontes de energia, a

    glucose superior e o crescimento mais rpido. Neste caso, inicialmente h represso da expresso do

    opero da lactose e este s expresso quando necessrio.

    No caso de S. cerevisiae, mesmo na presena de oxignio, e com concentraes no muito baixas de glucose,

    tem preferncia pela fermentao, produzindo etanol. O etanol posteriormente respirado, aps uma fase

    estacionria, em que as enzimas respiratrias so sintetizadas. Este efeito chamado de Crabtree e

    explicado pelo efeito de represso da sntese das enzimas do metabolismo respiratrio por concentraes

    mais elevadas do acar. Por outro lado, o coeficiente de rendimento de biomassa, Y, superior cerca de trs

    vezes quando o metabolismo respiratrio.

    Equao de Haldane: Desvios equao de Monod

    =max

    ( + ) (1 +)

    Para determinados nutrientes limitantes, e para determinadas condies de crescimento, a partir de

    determinados valores, comeasse a observar uma reduo da taxa especfica de crescimento para um

    aumento de nutriente limitante.

  • 6

    A partir de determinadas concentraes, podem at haver nutrientes que no so txicos, e que introduzem

    toxicidade no metabolismo microbiano. Da haver, a diminuio na taxa especfica de crescimento.

    Os efeitos negativos da concentrao elevada de nutriente limitante dependem da sua

    natureza qumica (aucares, solventes).

    Com base na definio de Y possvel relacionar a taxa de

    produo de biomassa(

    ) com a taxa de consumo

    de nutriente limitante (

    ) de acordo com a equao:

    =

    onde o sinal negativo representa a diminuio do nutriente com o

    aumento da biomassa.

    Dividindo ambos os membros pela biomassa num dado instante (X), obtm-se a seguinte equao: 1

    =

    1

    Que pode ser escrita sob a forma de: =Yq

    Em que q a taxa especfica de transferncia de nutriente limitante (quantidade de nutriente transferido

    para dentro da clula num dado momento), expressa em massa de glucose transferida por unidade de

    biomassa por unidade de tempo.

    Fermentao: como a fermentao requer mais nutriente para um mesmo rendimento em biomassa, ter um maior q.

    Respirao: como a respirao apresenta uma maior eficincia energtica (menor quantidade de nutriente para produzir igual biomassa), ter um menor q.

    Quando o nutriente limitante utilizado como nica fonte de energia, para concentraes

    suficientemente baixas no se observa um aumento proporcional na quantidade de biomassa

    produzida com o aumento na quantidade de nutriente limitante consumido. Isto porque, as clulas precisam

    primeiramente da energia para a manuteno bioqumica

    do organismo, pelo que quando

    o nutriente a nica fonte de alimentao

    (e escassa), a nossa taxa especfica de crescimento no

    vai traduzir um aumento de biomassa devido ao facto

    desse nutriente no estar a ser utilizado para aumentar o

    nmero de organismos, mas sim para processos de

    manuteno celular.

    Por outro lado, tambm pode acontecer que, aumentando

    ainda mais a concentrao do nutriente, no ocorrer

    aumento nem da taxa especifica de crescimento (Kc) nem

    o numero de clulas na fase estacionria, isto porque a dada altura, um segundo nutriente passou a ser

    limitante que no aquele que era o nosso.

    Para distinguir a energia utilizada no crescimento da que utilizada na manuteno celular, considera-se que

    q a soma de duas parcelas: da taxa especfica de transferncia de nutriente limitante para o crescimento

    (qc) (nutriente utilizado para crescimento) e da taxa especfica de transferncia de nutrient

    uteno (qm) (nutriente utilizado para manuteno).

    = ( + ) =

    +

    Para concentraes do nutriente limitante elevadas, a taxa do nutriente transferida para processos de

    manuteno torna-se insignificante. Como tal, podemos considerar que todo o nutriente est a ser utilizado

    para produzir biomassa. Deste modo, quando qm muito baixo, vamos obter um Ymx, porque todo o

    nutriente est a ser utilizado para o crescimento. Assim, a partir desta equao possvel definir o conceito

    de coeficiente de rendimento mximo (Ymx) como o limite de Y quando qm tende para zero:

  • 7

    = lim0

    =

    Multiplicando e dividindo o segundo membro da equao por Ymx obtm-se a seguinte

    equao:

    =

    +

    +

    que descreve a dependncia de Y em funo de ,em que a designada por taxa especifica de manuteno,

    com as mesmas unidades de , ou seja, o inverso do tempo (h-1).

    Se no existisse uma taxa especfica de manuteno, o microrganismo no ia crescer a

    uma taxa especfica de crescimento , mas sim a uma taxa de crescimento + , isto porque

    no haveria nutriente a ser gasto para a manuteno, era tudo para crescimento

    1

    =

    1

    +

    1

    1

    =

    1

    +

    1

    Os parmetros Ymx, a e qm, designados por parmetros cinticos energticos do crescimento, so

    caractersticos de um dado microrganismo em condies definidas de crescimento. Para a determinao

    destes parmetros recorre-se ao ajuste de dados experimentais de Y em funo de , de acordo com a

    Equao de Pirt.

    Pela equao de Pirt, surge que:

    - Declive: qm

    - Ordenada na origem: Ymx

    O crescimento maior se no incio disposermos de maior quantidade de nutriente limitante.

    O rendimento em ATP (YATP), expresso em g de biomassa produzida por mole de ATP, um parmetro

    utilizado para relacionar a produo de biomassa com a quantidade de ATP produzido e pode ser estimado a

    partir da equao:

    =()

    ()

    SISTEMA DE CULTURA DE MICRORGANISMOS

    Sistema de cultura fechado (batch)

    Num sistema deste tipo, o fornecimento de nutrientes no renovado e os produtos do metabolismo no so

    removidos.

    O crescimento exponencial dura apenas algumas geraes e rapidamente atingida a fase estacionria.

    Quando os nutrientes se esgotam, o crescimento

    acaba.

    Sistema de cultura semifechado (fed-batch)

    H a adio constante de nutriente, mas no h sada de meio de cultura com clulas.

  • 8

    Sistema de cultura aberto (contnuo) - O Quimiostato

    O biorreator de cultura contnua mantm um volume constante ao qual adicionado meio fresco estril a

    uma taxa constante, enquanto um volume igual do meio de cultura gasto (contendo clulas) removido com

    a mesma taxa. Uma vez que um sistema destes est em equilbrio, o volume do quimiostato, o nmero de

    clulas (X), e o estado dos nutrientes (S) permanecem constantes, e o sistema diz-se estar em estado

    estacionrio (variao nula).

    O tipo mais comum de cultura contnua o quimiostato. No quimiostato, tanto a taxa de crescimento como a

    densidade da cultura podem ser controladas independentemente e simultaneamente. Existem dois fatores que

    regulam a taxa de crescimento e a densidade celular respetivamente.

    A taxa de crescimento determinada pela taxa de diluio, enquanto o rendimento celular (numero/mililitro)

    controlado pelo nmero de nutriente limitante. O controlo independente destes dois parmetros do

    crescimento impossvel num sistema batch, uma vez que as condies de crescimento mudam

    constantemente ao longo do tempo.

    A taxa de diluio (D), expressa em h-1, corresponde taxa que o meio flui atravs do vaso de cultura

    relativamente ao volume do vaso, onde f a taxa de fluxo (ml/h) e V o

    volume do vaso:

    =

    O tempo necessrio para alimentar a cultura de modo a substituir todo o volume do

    vaso (tempo de residncia) dado por:

    =

    Balano de massas para a biomassa

    A biomassa (X) formada custa do nutriente limitante, e por isso:

    Influxo = Efluxo + Acumulao Formao Como em estado estacionrio a acumulao nula, temos:

    0 = FX -rxV

    onde FX o nmero de clulas que sai (g/h), rX a taxa de produo de biomassa por unidade

    de volume por unidade de tempo (g.l-1.h-1) e V o volume do vaso (constante).

    Atinge-se o estado estacionrio quando a taxa de diluio for igual taxa de crescimento, ou seja, quando a

    quantidade de clulas produzidas for igual quantidade de clulas que saem por unidade de tempo:

    = +

    aplicando a equao de Monod:

    =

    Quando so utilizadas taxas de diluio muito altas, tem-se valores altos de S, o que ir permitir ter taxas de

    crescimento altas. Se se quiser mais biomassa para uma mesma taxa de diluio, aumenta-se a concentrao

    de nutriente limitante na alimentao.

    Balano de massas para o nutriente limitante

    Influxo = Efluxo + Acumulao Formao Como em estado estacionrio a acumulao nula, temos:

    FSr=FS - rsV

    onde FS a concentrao de nutriente sada, rS a taxa volumtrica de consumo de

    nutriente limitante por unidade de volume por unidade de tempo (g.l-1.h-1) e V o volume do vaso

    (constante).

    rS pode ser descrito por:

    =

    Esta equao mostra a dependncia da concentrao de clulas no estado estacionrio, em

    relao taxa de diluio e concentrao de nutriente limitante. Uma concentrao elevada de nutriente

    limitante na alimentao corresponde a uma quantidade elevada de biomassa no estado estacionrio,

    enquanto uma taxa de diluio elevada corresponde a uma biomassa baixa.

    Dependncia da concentrao em biomassa, X, e da concentrao de nutriente limitante, S, em funo

    da taxa de diluio D, e da concentrao de nutriente limitante, Sr.

  • 9

    Este grfico representa as duas equaes finais dos

    balanos de massas. Novamente, no grfico, D equivalente

    a em estado estacionrio.

    A taxa de diluio crtica corresponde a uma situao de

    washout, e dada por DC, onde S=Sr e X=0, ou seja, a

    concentrao de

    nutriente que entra

    igual que se

    encontra no

    quimiostato, no havendo formao de clulas porque estas

    esto a ser removidas. A taxa

    de remoo superior taxa de formao.

    Quando se aumenta a taxa de diluio do quimiostato, o que

    acontece que vai comear a ser retirada uma quantidade de

    clulas maior do que a que foi retirada at ento. O resultado

    que a biomassa na cultura vai diminuir e, consequentemente, o

    nutriente limitante vai aumentar, porque continua a ser reposto,

    mas consumido e menor quantidade.

    EFEITO DA TEMPERATURA NO CRESCIMENTO MICROBIANO

    A dependncia do crescimento em funo da

    temperatura geralmente expresso sob a forma

    de um grfico de Arrhenius que traduz a

    variao da velocidade de uma reao qumica

    (v) com a temperatura, de acordo com a

    seguinte

    equao:

    =2.2303

    +

    onde EA a energia de ativao da reao, R

    corresponde constante dos gases perfeitos e

    T a temperatura absoluta expressa em graus

    kelvin (K).

    A morte celular microbiana d-se pela

    exposio de uma cultura microbiana a um

    agente letal como o calor. Radiao UV,

    compostos txicos, entre outros, e corresponde

    ao decrscimo da densidade populacional avaliada pelo nmero de clulas viveis:

    = =

    1

    ou Kd (taxa especfica de morte) uma constante para um dado microrganismo e para condies definidas e induo de morte (h-1)

    Integrando a equao e considerando constante: = 0

    (0)

    que corresponde cintica de morte exponencial e nos permite saber o nmero de clulas

    viveis ao fim de um intervalo de tempo.

    = 0

    0

    Curvas de sobrevivncia

  • 10

    Estas equaes originam as curvas de sobrevivncia semilogartmicas do nmero de clulas viveis,

    estimadas pela contagem de unidades formadoras de colnias (UFCs) em funo do tempo de exposio ao agente letal.

    Existem desvios cintia de morte exponencial, como a observao de um patamar (B)

    ou a visualizao de duas retas numa mesma curva (C e D).

    O patamar acontece porque o componente letal pode atingir vrios alvos celulares, como tal pode demorar

    algum tempo at que haja perda irreversvel da viabilidade celular.

    Por vezes possvel visualizar dois declives numa curva de cintica de morte exponencial. Este fenmeno

    pode ser explicado como uma determinada quantidade de clulas que a partir de determinado momento

    sofreu mutao em consequncia da temperatura e, por isso apresentam uma cintica diferente a partir desse

    momento.

    Morte trmica

    Na morte trmica, em que o agente letal a temperatura elevada, com

    o aumento da temperatura, aumenta tambm o declive da reta e menor

    o patamar inicial presente na

    curva de sobrevivncia.

    A determinao da taxa especifica de morte (kd) determinada da

    mesma forma que a taxa especifica de crescimento, correspondendo ao

    declive da curva de sobrevivncia.

    Os valores de Kd para um dado microrganismo em condies

    experimentais idnticas aumentam exponencialmente com o aumento

    da temperatura absoluta.

    Perfil trmico

    O Perfil trmico a designao atribuda representao conjunta do grfico de Arrhenius das taxas

    especficas de crescimento e do grfico de Arrhenius das taxas especficas de morte de uma dada

    populao microbiana em condies experimentais definidas.

    Permite fazer uma previso da dependncia do crescimento e da morte em sistemas de interesse industrial

    ou ecolgico, para alm de uma avaliao da relao temperatura/efeito de drogas/conservantes em

    microrganismos patognicos ou de deteriorao de alimentos devido alterao profunda do perfil de

    temperatura pela presena de metabolitos extracelulares.

    Existem dois perfis, o perfil de temperatura do tipo associativo (leveduras mesfilas

    10-45C) e o perfil de temperatura do tipo dissociativo (leveduras psicrfilas 0-15C).

    Perfil trmico do tipo associativo

    No perfil do tipo associativo, tal como o nome indica, existe uma associao do processo de crescimento e

    do processo de morte. Este tipo de perfil pode ser visvel, por exemplo, em S. cerevisiae.

    Neste perfil observa-se cinco temperaturas cardiais:

    1. Temperatura mnima de crescimento (Tmin)

    2. Temperatura tima (Top)

    3. Temperatura mnima de morte (Tdmin )

    4. Temperatura mxima final (Tmx f)

  • 5. Temperatura mxima inicial (Tmx i)

    Analisando o grfico, v-se que existem 4 intervalos de temperaturas supra-timas e pode-se obter as seguintes

    afirmaes:

    Entre a Tmin e a Top (zona 1), um aumento na temperatura traduz-se num aumento da taxa especfica de crescimento;

    Entre Top e a Tdmin (zona 2), h uma temperatura tima para o organismo e, por isso, uma taxa de crescimento mxima.

    Seguidamente, a reta de taxa de morte interseta a curva da taxa de crescimento em Tdmin. Isto significa, portanto, que Tdmin corresponde temperatura mnima qual se inicia a morte do organismo.

    Assim, entre Tdmin e Tmx f (zona 3), temos dois perodos de crescimento. No 1 perodo, a populao cresce como anteriormente. No 2 perodo, parte da populao continua a crescer e a outra parte comea a morrer e, por essa razo,

    observa-se uma taxa de crescimento mais baixa. No entanto, a taxa de crescimento superior taxa de morte e,

    consequentemente o nmero de clulas continua a aumentar. Pode-se concluir que a Tmx f corresponde temperatura

    mxima na qual comea-se a ter morte no perodo final.

    Posteriormente, entre Tmx f e a Tmx i (zona 4), temos tambm dois perodos de crescimento microbiano, o 1 com a taxa de crescimento prximo de zero e no 2 perodo pode-se ver que com o aumento da temperatura, a taxa de

    morte mais elevada que a taxa de crescimento e, como tal, a populao vai apresentar um crescimento negativo. A

    Tmx i corresponde temperatura mxima na qual comeamos a ter morte no perodo inicial.

  • 24

    Com um aumento drstico da temperatura, a partir da Tmx i (zona 5), no 1 perodo deixamos de observar um crescimento e atinge-se logo o perodo de morte trmica.

    Perfil trmico do tipo dissociativo

    No perfil do tipo dissociativo, no h associao do processo de crescimento e do processo de morte. Pode-se encontrar

    este tipo de perfil na levedura Hansenulapolimorfa.

    Neste caso, apenas existem trs temperaturas cardiais. Existe ainda uma gama de temperaturas em que nada acontece,

    no h crescimento mas tambm no h morte (isto no acontece no perfil associativo quando h inibio do crescimento, inicia-se a morte, acontece sempre algo).

    T

    Entre Tmin e Top existe um aumento da taxa de crescimento com o aumento da temperatura. Aps atingir o Top, com o

    aumento da temperatura, existe diminuio do crescimento.

    A temperaturas mais elevadas, o crescimento negativo, uma vez que a taxa de crescimento nula e apenas existe

    um aumento da taxa de morte.

    Quando o Arrhenius de morte interseta o eixo XX d inicio morte da cultura (temperatura mnima de morte).

    Existem alguns compostos qumicos/medicamentos, que podem ou no alterar o perfil trmico dos microrganismos de

    modo a combate-los, por exemplo, no caso das infees.

    No caso do miconazole, o perfil de candida mantem-se associativo e as temperaturas

    cordiais no so, significativamente aleradas. No entanto existe uma reduo do Kc.

    Se for utilizado cido actico, no perfil Candida shehateh tambm se mantm,

    neste casso, dissociativo. Mas todas as temperaturas cardiais sofrem alterao,

    diminuindo.

    Quando Saccharomyces cerevisiae colocada num

    meio com cloranfenicol, o seu perfil mantem-se

    associativo. No entanto as temperaturas cordiais so

    alteradas, sendo que a Tmin aumenta, enquanto as Top,

    a Tmxf e a Tmax o baixam

  • 25