Crescimento Microbiano

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1 CRESCIMENTO MICROBIANO
O crescimento bacteriano implica a divisão celular, levando a um aumento exponencial do número de células iniciais de uma população. As bactérias podem crescer individualmente por fissão binária (a célula alonga-se até se dividir em duas) ou no contexto de uma população (as células duplicam o seu tamanho e forma-se um septum, que consiste no crescimento da membrana celular e da parede celular até à separação das duas células). Quando uma célula se separada dando origem a duas novas células diz-se que ocorreu uma geração, designando-se por tempo de geração a duração de todo esse processo.
Os tempos de geração variam imenso de espécie para espécie, dependendo também do meio de crescimento e das condições de cultura. Um crescimento exponencial é definido pela duplicação do número de células durante um intervalo de tempo constante. Neste tipo de crescimento, o número de células aumenta lentamente, passando pouco depois a um aumento muito rápido, resultado num elevado número de células.
1.1 Fatores Físicos 
Incluem temperatura, pH e pressão osmótica.
Influência dos fatores físicos
Classificar os microrganismos em cinco grupos com base na faixa de temperatura ótima para seu crescimento.
Identificar os mecanismos que controlam as variações de pH no meio de cultura
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:
Determinar o uso de cada um dos quatro elementos (carbono, nitrogênio, enxofre e fósforo) necessários para o crescimento microbiano.
Explicar como ocorre a classificação dos microrganismos usando como referência as necessidades de oxigênio.
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.
Outros macronutrientes:
P – Síntese de ácidos nucléicos, ATP
 S – Estabilidade de aminoácidos, componente de vitaminas
 K – Atividade de enzimas
 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
Metais em quantidades muito pequenas (traços) necessários na composição
de um meio de cultura:
Zn, Cu, Mn, Co, Mo e B
► Exercem função estrutural em várias enzimas (ativação)
- Nem sempre sua adição é necessária
- Meios sintéticos com compostos de alto grau de pureza e água ultra
pura podem apresentar deficiências desses elementos.
Ex: Mo+6 é necessário para a nitrogenase, a enzima que converte
o N2 para NH3 durante a FBN.
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 independentesde 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.
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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.
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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> 
http://knoow.net/ciencterravida/biologia/crescimento-bacteriano/