Nutrição e Crescimento Microbiano

Nutrição microbianaComponentes necessários às célulasMeios de culturaCondições ambientais

Crescimento populacionalVelocidade de crescimentoTempo de geraçãoMedidas do crescimento

Macronutrientes: - Necessários em grande quantidade (C, N, H, O, S, P)

- Tem papel importante na estrutura e metabolismo.

Micronutrientes: - Necessários em quantidades mínimas (B, Co, Cr, Cu, F, I, Mn, Mo, Se, Zn)

- Funções enzimáticas e estruturais das biomoléculas

Matéria seca

Água

C

N

H

P, S, K, Na ...

célula

Necessidade de elementos nutricionais

Componentes necessários às célulasMacronutrientes

Fonte de carbono:

- Compostos orgânicos (microrganismos heterotróficos ou quimiorganotróficos): carboidratos

lipídeos proteínas

- Dióxido de carbono (microrganismos autotróficos ou fotoautotróficos):

É a forma mais oxidada do carbono, assim a fonte de energia deve vir da luz ou de

outros compostos inorgânicos.

Fonte de Nitrogênio:

- É elemento necessário em maior quantidade depois do carbono, cerca de 12 %.

(constituinte das proteínas, ácidos nucléicos, etc.)

moléculas orgânicas (aminoácidos, peptídeos)

moléculas inorgânicas (NH3, NO3-, N2)

A capacidade de algumas bactérias em utilizar o

nitrogênio atmosférico (FBN) é de fundamental importância para a vida de todos os seres.

• Hidrogênio:

- Principal elemento dos compostos orgânicos e de diversos inorgânicos (água, sais e gases)

• Função:

Manutenção do pHFormação de ligações de H (pontes de H) entre moléculas Fonte de energia nas reações de oxirredução na respiração

Componentes necessários às células

• Oxigênio:

- Elemento comum encontrado nas moléculas biológicas (aminoácidos, nucleotídeos, glicerídeos)

- É obtido a partir das proteínas e gorduras.

Na forma de oxigênio molecular (O2), é requerido por muitos para os processos de geração de

energia.

P – Síntese de ácidos nucléicos, ATP

S – Estabilidade de aminoácidos, componente de vitaminas

K – Estabilidade dos ácidos nucléicos, bomba de Na/K

Mg – Estabilidade dos ribossomos

Ca – Estabilidade da parede celular e termoestabilidade de endósporos

Na – Requerido em maior quantidade por microrganismos marinhos.

Bactérias halofílicas extremas não crescem com menos de 15 % de sal.

Fe – Papel-chave na respiração, componente dos citocromos e das

proteínas envolvidas no transporte de elétrons.

Componentes necessários às células

Outros macronutrientes:

• Metais em quantidades muito pequenas (traços):

Zn, Cu, Mn, Co, Mo e B

► Exercem função estrutural em várias enzimas (ativação)

Ex: Mo+6 é necessário para a nitrogenase, a enzima que converte

o N2 para NH3 durante a FBN.

Componentes necessários às célulasMicronutrientes

Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio

Curva de crescimento Microbiano

7

8

Crescimento microbiano

• Expressão matemática do crescimento – progressão geométrica de quociente 2:

• 1 2 4 8 16 32 ......... X

• 2º 21 22 23 24 25 ......... 2n

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Crescimento microbiano

• Tempo de geração: tempo necessário para a divisão das células– depende da espécie e das condições de crescimento

• g = t/n, onde:

– g = tempo de geração– t = tempo de crescimento– n = número de gerações dentro de um tempo t de crescimento

• E. coli: 6-20 min

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5 x 107

Crescimento microbiano

• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = N0

• 1ạ geração N = N0 x 21

• 2ạ geração N = N0 x 22

• 3ạ geração N = N0 x 23

• nạ geração N = N0 x 2n

população final (N) = N0 x 2n

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Crescimento microbiano

• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = 5

• 1ạ geração N = N0 x 21 = 5 x 2 = 10

• 2ạ geração N = N0 x 22 = 5 x 22 = 20

• 3ạ geração N = N0 x 23 = 5 x 23 = 40

• nạ geração N = N0 x 2n = 5 x 2n

população final (N) = N0 x 2n

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Crescimento microbiano• Você é contratado para gerenciar um processo industrial de produção de

antibióticos. Para que se inicie a extração de quantidades mínimas do antibiótico de interesse, a cultura da bactéria produtora do mesmo deve estar numa concentração mínima de 256.000 células/mL. Considerando que ela se duplica a cada hora e que você inicia o processo com uma concentração de 250 células/mL, quantas gerações/horas são necessárias antes que se inicie o processo de extração do antibiótico?

• N0 = 250 células/mL

• N = 256.000 células/mL• Tempo de geração = 1 h• Gerações (n) = ?

população final (N) = N0 x 2n

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Crescimento microbiano• Você é contratado para gerenciar um processo industrial de produção de

antibióticos. Para que se inicie a extração de quantidades mínimas do antibiótico de interesse, a cultura da bactéria produtora do mesmo deve estar numa concentração mínima de 256.000 células/mL. Considerando que ela se duplica a cada hora e que você inicia o processo com uma concentração de 250 células/mL, quantas gerações/horas são necessárias antes que se inicie o processo de extração do antibiótico?

• N0 = 250 células/mL

• N = 256.000 células/mL• Tempo de geração = 1 h• Gerações (n) = ?

256.000 = 250 x 2n

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Crescimento microbiano• N0 = 250 células/mL

• N = 256.000 células/mL• Tempo de geração = 1 h• Gerações (n) = ?

256.000 = 250 x 2n

256.000

250

2n = 1024

16

= 2n

1024512256128643216842

2222222222

n = 10

Medidas do crescimento

• Medidas diretas– Contagem de células totais

• Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer• Contagem dos viáveis

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Medidas do crescimento

Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser

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Medidas do crescimentoContagem dos viáveis

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Superfície

Pour plate

Contagem dos viáveis utilizando atécnica das diluições em série

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Medidas do crescimento• Medidas indiretas

– Turbidez

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Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:

pH:

neutrófilos – pH ≈ 7.0 acidófilos – pH < 7.0 alcalófilos – pH > 7.0

Importância:

• Atividade enzimática• Conformação protéica• Disponibilidade de metais e elementos orgânicos

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Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)

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Bactérias acidofílicas – área de mineração carvão e geração de drenagem ácida de mina (DAM) - Acidithiobacillus

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Rochas calcáricas

Vermiculita

Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:

O2:

Aeróbios obrigatórios Anaeróbios obrigatórios Anaeróbios facultativos Microaerófilos Aerotolerantes

Importância:

• Respiração e produção de energia• Reações de óxido-redução• Atividade enzimática

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aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

zona óxica

zona anóxica

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Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:

Temperatura:

Psicrófilos: - 5 °C a 20 °C Mesófilos: 20 °C a 50 °C Termófilos: 50 °C a 80 °C Termófilos extremos: acima de 80 °C

Importância:

• Altera as respostas enzimáticas• Altera as respostas a choques térmicos• Influencia na razão de crescimento

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Chlamydomonas nivalis

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Synechococcus

cianobactérias

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• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– membranas

– ácidos graxos diferenciados:

• Archaea não tem ácidos graxos nas membranas (têm hidrocarbonetos C40 com unidades de isopreno)

– monocamada lipídica

Fatores que afetam o crescimento

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Monocamada lipídica

Bicamada lipídica

• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– proteínas

– tipo de aminoácido: conferem conformação distinta (Glu, Lys, Arg)

– velocidade de renovação das células Taq polimerase (Thermus aquaticus)

– ácidos nucléicos– maior concentração de G≡C

Fatores que afetam o crescimento

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Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:

Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos

Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos

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Aliivibrio fischeri

Habitat de Archaea:Great Salt Lake (2460 km2, Utah, EUA

Halofílicas extremas

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Halofílicas extremas

Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA

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Fatores que afetam o crescimento Fatores biológicos:

Fauna e o substrato Processos de ingestão Ciclagem de nutrientes Composição da comunidade

Interações microbianas Neutralismo Comensalismo Sinergismo Mutualismo

Biodisponibilidade Adsorção Solubilidade Especiação química

Competição Amensalismo/Antagonismo Parasitismo Predação

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