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CRESCIMENTO MICROBIANO Aula Higiene na Agroindústria Prof. Carla Schmidt 2014 Crescimento Microbiano � 1. Fatores necessários para o crescimento � - Fatores Físicos ( temperatura, pH, pressão osmótica) � - Fatores Químicos (nutrientes, água, O2 etc.) � 2. Meio de Cultura (Naturais e Artificiais) � - Meio Complexo � - Meio Simples � 3. Crescimento da cultura bacteriana � - Quantificação Direta (nº. de colônias viáveis ou não) � - Quantificação Indireta (turbidez, peso seco etc.) CRESCIMENTO MICROBIANO: Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares. Crescimento Microbiano = associado ao crescimento de uma população de células (uma célula dará origem a duas ao fim de um certo tempo, tempo de geração ou de duplicação.) FATORES NECESSÁRIOS PARA O CRESCIMENTO - FATORES FÍSICOS: temperatura pH pressão osmótica (concentração de sal) - FATORES QUÍMICOS: água fontes de carbono e nitrogênio minerais oxigênio fatores orgânicos FATORES FÍSICOS 1. TEMPERATURA: A maioria dos microrganismos cresce bem nas temperaturas ideais para os seres humanos. - Temperatura de crescimento mínima: < temperatura onde a espécie é capaz de crescer - Temperatura de crescimento ótima: onde a espécie apresenta melhor crescimento - Temperatura de crescimento máxima: > temperatura, onde ainda é possível o crescimento Figura 1 Figura 1. Taxa de crescimento vs. temperatura FATORES FÍSICOS 1. TEMPERATURA: Microrganismos são classificados em 3 grupos: - Psicrófilos: crescem em baixas temperaturas (-10 a 15 °C) - Mesófilos: crescem em temperaturas moderadas (10 a 50 °C) - Termófilos: crescem em altas temperaturas (40 a 70 °C) Termófilos extremos (68 a 110 °C) Figura 2 Figura 2. Curva de crescimento característica de diferentes microrganimos Termófilos extremos Psicrófilos: temperatura ótima: 15 °C encontrados em oceanos e regiões da Ártica não causam problemas na preservação de alimentos Psicrotróficos: temperatura ótima: 20 a 30 °C crescem em temperatura de refrigeradores (4 °C) encontrados em alimentos estragados Mesófilos: temperatura ótima: 25 a 40 °C (mais encontrados) corpo de animais (temperatura da pele) bactérias patogênicas: temp. ótima 37 °C degradam alimentos e são patogênicos Termófilos: temperatura ótima: 50 a 60 °C ambiente de águas termais (***não crescem em temp. < 45 °C) material estocado (altas temp.)= compostagem Área de Alimentos FATORES FÍSICOS 2. pH: - refere-se a acidez ou a alcalinidade de uma solução; - maioria dos microrganismos cresce melhor perto da neutralidade (pH 6,5 – 7,5); - poucas bactérias são capazes de crescer em pH ácido (como pH 4,0) Bactérias: faixa entre pH 7,0 Exceções: - Bactérias acidófilas: alto grau de tolerância à acidez (Thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ótimo entre 2 e 3,5) - Bactérias alcalófilas: (Bacillus e Archaea) (pH 10 – 11). Fungos - tendem a ser mais acidófilos que as bactérias (pH <5). Figura 3 Figura 3. Distribuição de alguns microrganismos de acordo com o pH (Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003) FATORES FÍSICOS 3. PRESSÃO OSMÓTICA: Os microrganismos retiram da água a maioria dos nutrientes solúveis (conteúdo celular 80 – 90 % de água) Pressão osmótica: retira a H2O dentro da célula Reação Hipertônica: perda de H2O do meio intracelular para o extracelular, através da membrana plasmática (meio com concentração de sais). Plasmólise: destruição da membrana plasmática da célula devido a perda de H2O por osmose. Figura 4 Figura 4. Taxa de crescimento de alguns microrganimos vs. a concentração de sal. Não Halófilos: não necessitam de sal e não toleram a presença no meio. Halotolerantes: não necessitam de sal mas toleram a presença no meio. Halófilos: necessitam de sal em uma concentração moderada Halófilos extremos: necessitam de sal em altas concentrações. -adição de sais: plasmólise preservação de alimentos (peixe salgado, mel e leite) Alta concentração de sal ou açúcar Área de Alimentos Halofílicos Extremos (ou obrigatórios): necessitam de altas concentrações de sais para o crescimento Halofílicos Facultativos: mais abundantes não exigem altas concentrações de sais -Adição de ágar: normalmente 1,5% para solidificar o meio > concentração = inibição de alguns microrganismo > concentração de sal = pressão osmótica FATORES QUÍMICOS 1. ÁGUA: - Essencial para os microrganismos - Disponibilidade variável no ambiente Ambiente com < concentração de água: desenvolvem mecanismos para obter água através do aumento da concentração de solutos internos seja pelo bombeamento de íons para o interior celular ou pela síntese de solutos orgânicos (açúcares, álcoois ou aminoácidos). FATORES QUÍMICOS 2. FONTES DE CARBONO, NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: a) CARBONO: essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos necessários para a viabilidade celular (elemento estrutural básico para os seres vivos) organismos quimio-heterotróficos: obtém C a partir de materiais orgânicos como proteínas, carboidratos e lipídeos. organismos quimio-autotróficos organismos fotoautotróficos C a partir de CO2 b) NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: - N, S: síntese de proteínas - N, P: síntese de DNA e RNA, ATP Peso seco de uma célula bacteriana: 14 % N, 4 % S, P NITROGÊNIO - utilizado para sintetizar os grupos aminos presentes nos aminoácidos. Obtenção de N: - Decomposição de materiais orgânicos (proteínas, aminoácidos) - Amônia (NH4 +) - Nitrato (NO3-) Fixação de N: algumas bactérias são capazes de utilizar N gasoso diretamente da atmosfera. Microrganismos do solo (ex. bactérias dos gêneros Rhizobium e Bradyrhizobium) utilizam este processo para obtenção de N, tanto para elas como para as plantas que convivem simbioticamente (algumas leguminosas – soja, feijão). Cultivo de leguminosas: > fertilidade do solo sem a necessidade de implementação de fertilizantes químicos Bactérias Fixadoras de Nitrogênio b) NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: ENXOFRE - utilizado na síntese de aminoácidos contendo S e de vitaminas (tiamina e biotina). FÓSFORO - essencial para a síntese dos ácidos nucléicos e para os fosfolipídeos componentes da membrana celular. Fontes naturais de S: íon sulfato (SO4-2), sulfito de hidrogênio, aminoácidos Fontes naturais de P: íon fosfato (PO4-3), DNA, RNA, ATP c) POTÁSSIO, MAGNÉSIO E CÁLCIO: - também são elementos essenciais para os microrganismos - frequentemente encontrados como co-fatores para as reações enzimáticas. d) ELEMENTOS TRAÇOS: - FERRO, COBRE, MOLIBDÊNIO, ZINCO - utilizados como co-fatores essenciais para atividade de algumas enzimas utilizar água destilada para meio de cultura – contém todos os elementos traços FATORES QUÍMICOS 3. OXIGÊNIO: - extremamente importante no desenvolvimento microbiano - organismos classificados em: Figura 5 1. AERÓBIOS - Estritos (obrigados): necessitam de O2 - Facultativos: não necessitam de O2 mas crescem melhor com O2 - Microaerófilo: necessitam de O2 mas em níveis menores 2. ANAERÓBIOS - Aerotolerantes: não necessitam de O2 mas crescem melhor sem O2 - Estritos (obrigados): não toleram O2 (letal) AERÓBIO ESTRITOS alta [O2] catalase SOD ANAERÓBIO ESTRITO sem O2 ausência: catalase SOD MICRO AERÓFILO baixa [O2] AERÓBIO FACULTATIVO alta e baixa [O2] catalase SOD alta e baixa [O2] SOD ANAERÓBIO AEROTOLERANTES Figura 5. Efeito do oxigênio sobre o crescimento de vários tipos de bactérias. Catalase e a superóxido dismutase reduzem para H2O os compostos tóxicos.MEIO DE CULTURA MEIO DE CULTURA: material nutriente preparado no laboratório para o crescimento de microrganismos. CULTURA: microrganismos que crescem e se multiplicam no meio de cultura. MEIO DEFINIDO: TODA A COMPOSIÇÃO QUÍMICA É CONHECIDA MEIO COMPLEXO: COMPOSIÇÃO QUÍMICA NÃO CONHECIDA (composto por nutrientes como extrato de levedura, de carne ou de plantas) MEIO DE CULTURA Meios líquidos: para obter melhor crescimento de microrganismos, mais abundante, pois o contato com o material nutritivo é mais fácil. São também usados para o estudo da morfologia da célula e a sua motilidade, uma vez que oferecem à célula, menos resistência. MEIO DE CULTURA Meios solidificáveis: usados para isolamento. Os microrganismos desenvolvem na superfície dos meios sólidos, formando colônias. Também têm emprego na conservação de cultivos por tempo mais ou menos longo, pois o acesso lento aos elementos nutritivos limita a reprodução. MEIO DE CULTURA MEIO DE CULTIVO SELETIVO E DIFERENCIAL: - meio seletivo: favorece o crescimento de uma determinada bactéria de interesse, impedindo o crescimento de outras bactérias. Ex: ágar Sabouraud dextrose, pH 5,6, é utilizado no crescimento de fungos que são favorecidos, em relação as bactérias, pelo baixo pH. - meio diferencial: facilita a identificação de um determinado organismo. Ex: meio ágar-sangue, utilizado para a identificação de bactérias capazes de destruir células sangüíneas (anel claro em torno da colônia). MEIO DE CULTURA MEIO DE CULTIVO SELETIVO E DIFERENCIAL: MEIO DE CULTURA MEIO DE CULTIVO SELETIVO E DIFERENCIAL: A. Klebsiella pneumoniae B. Escherichia coli C: Salmonella sp. D: Proteus mirabilis E: Pseudomona aeruginosa ágar SS MEIO DE CULTURA MEIO DE ENRIQUECIMENTO: favorece o desenvolvimento de uma população bacteriana que esta em desvantagem entre outras populações. MEIOS REDUTORES: meios com reagentes, como o tioglicolato de sódio, que é capaz de se combinar com o oxigênio dissolvido eliminando este elemento do meio de cultura (específico para microrganismos anaeróbicos). CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS - DIVISÃO BACTERIANA: - FISSÃO BINÁRIA - BROTAMENTO - TEMPO DE GERAÇÃO: - FASES DE CRESCIMENTO: - FASE lag - FASE log - FASE ESTACIONÁRIA - FASE DE MORTE CELULAR CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS DIVISÃO BACTERIANA: é considerado o aumento do número de indivíduos e não do tamanho celular. 1. BROTAMENTO: < nº de bactérias (forma um broto que quando atinge o tamanho da célula parental se separa) 2. FISSÃO BINÁRIA: (1) alongamento da célula e a replicação do DNA cromossomal; (2) início da invaginação da parede celular e da membrana plasmática; (3) em um determinado momento, as duas seções da parede celular de encontram; (4) produção de duas células individuais idênticas à célula mãe. Figura 6 Fissão Binária (Adaptado de Tortora, G.J., et al., Microbiology,2003) Figura 6. Fissão binária bacteriana. CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS TEMPO DE GERAÇÃO: é o tempo necessário para uma célula se dividir (e sua população dobrar de tamanho). - tempo varia de acordo com o organismo; - depende das condições ambientais (nutricionais, temperatura etc); - maioria das bactérias: 1 – 3 h FASES DE CRESCIMENTO CURVA DE CRESCIMENTO: demonstra o crescimento das células durante um período de tempo. curva de crescimento obtida pela contagem da população em intervalos de tempo após um inóculo de um número pequeno de bactérias em meio de cultura. FASE lag: pouca ou ausência de divisão celular (fase de adaptação) - ≥ 1 hora (estado de latência, com intensa atividade metabólica) FASE log: início do processo de divisão (período de crescimento ou aumento logarítmo) (reprodução celular extremamente ativa, sensíveis as mudanças ambientais - * EFEITO DE ANTIBIÓTICOS) FASE ESTACIONÁRIA: velocidade de crescimento diminui nº de células vivas = nº de células mortas FASE DE MORTE CELULAR: nº de células mortas excede o de células novas. Figura 7 Figura 7. Curva de crescimento bacteriano mostrando as 4 fases típicas. Figura 7. Curva de crescimento bacteriano mostrando as 4 fases típicas. PREVISÃO DE CRESCIMENTO DE MICRORGANISMO EscherichiaEscherichiaEscherichiaEscherichia colicolicolicoli SalmonellaeSalmonellaeSalmonellaeSalmonellae spspspsp.... StaphilococcusStaphilococcusStaphilococcusStaphilococcus aureusaureusaureusaureus Condições: 20º C pH=7,0 NaCl=0,5% Gráfico mostrando curvas de crescimento de microrganismos - Software ComBase. Software Disponível em: http://www.combase.cc/index.php/en/ MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO DIRETA: - CONTAGEM EM PLACAS - FILTRAÇÃO - MÉTODO DO NÚMERO MAIS PROVÁVEL - CONTAGEM DIRETA AO MICROSCÓPIO QUANTIFICAÇÃO INDIRETA: - TURBIDIMETRIA - ATIVIDADE METABÓLICA - PESO SECO MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO DIRETA: (1) CONTAGEM EM PLACAS - técnica mais utilizada na determinação do tamanho da população bacteriana; VANTAGEM: quantificação de células viáveis DESVANTAGEM: tempo (24 h para o aparecimento das colônias) Figura 8 Cálculo: nº de colônias na placa x índice de diluição da amostra = nº de bactérias/mL -DILUIÇÃO SERIADA -MÉTODO DE ESPALHAMENTO EM PLACA Figura 8. Contagem em placas e diluição seriada MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO DIRETA: (2) FILTRAÇÃO - < nº de bactérias = pode ser utilizado o método de filtração para a sua contagem. - concentração de bactérias sobre a superfície de uma membrana de filtro de poros muito pequenos após a passagem de um volume de 100 mL de água. - filtro posteriormente transferido para uma placa de petri contendo meio sólido. MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO DIRETA: (3) O MÉTODO DO NÚMERO MAIS PROVÁVEL (NMP) - utilizado para microrganismos que não crescem bem em meio sólido. A) diluição a partir de um alto volume de inóculo (ex. 10 mL) B) diluição a partir de um médio volume de inóculo (ex. 1 mL) c) diluição a partir de um baixo volume de inóculo (ex. 0,1 mL) d) contagem do nº de tubos positivos e) estimativa do nº de células/mL de bactérias Figura 9 Figura 9. Método do número mais provável (NMP) PARA ÁGUA: PARA ALIMENTOS: Diluição 10-1 Figura 9. Método do número mais provável (NMP) Tabela de combinações (NMP) 3-3-1 Índice de NMP/100 mL = ?? Inferior = ?? Superior = ?? Confiabilidade de 95% MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO DIRETA: (4) CONTAGEM DIRETA AO MICROSCÓPIO - um volume conhecido de suspensão bacteriana é colocado em uma área definida da lâmina de microscópio. - a amostra pode ser corada ou analisada a fresco. - utilizam câmaras de contagem DESVANTAGENS: - não separa células mortas e vivas - pode haver erros de contagem - difícil contagem para bactérias móveis Figura 10 Figura 10. Utilização da câmara de contagem Petroff-Hausser. MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO INDIRETA: (1) TURBIDIMETRIA - monitoramento do crescimento bacteriano através da turbidez - espectrofotômetro (660 nm) (2) ATIVIDADE METABÓLICA - quantidade de um certo produto (como ácido ou CO2) é diretamente proporcional ao número de células bacterianas. Figura 11 A quantidade de luz que atravessa o detector é inversamente proporcional ao nº. de bactérias. Quanto > o nº. de bactérias < a quantidade de luz que é transmitida Figura 11. Determinação do nº de bactérias por turbidimetria. MÉTODOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO QUANTIFICAÇÃO INDIRETA: (3) PESO SECO - principalmente para fungos filamentosos a) fungo é removidodo meio por filtração b) seco em dessecador c) posterior pesagem. MÉTODOS DE SEMEADURA DE MICRORGANISMOS Técnicas de diluição em meios de cultura: 1. Técnica de diluição com semeadura em superfície: o inóculo é espalhado na superfície do ágar com o auxílio de uma alça de vidro (alça de Digralsky). MÉTODOS DE SEMEADURA DE MICRORGANISMOS 2. Método de diluição por pour-plate: uma suspensão de células é colocada em placa de petri (1ml de amostra) e posteriormente misturada, por uma série de movimentos em forma de 8, com 20ml de ágar fundido a 45°C, que se verte sobre o inóculo já depositado na placa. Quando o ágar se solidificar, as células são nele imobilizadas, formando colônias. MÉTODOS DE SEMEADURA DE MICRORGANISMOS 3. Método de diluição em meio líquido: faz-se a semeadura em profundidade com uma alça de níquel cromo ou com uma pipeta. Com a alça deve-se introduzi-la no meio e agitá-la levemente. Com a pipeta, depositar o inóculo no fundo do tubo e aspirar algumas vezes com a pipeta para homogeneizar. MÉTODOS DE SEMEADURA DE MICRORGANISMOS Técnicas de esgotamento: 1. Técnica de esgotamento contínuo por estrias: através de uma alça ou agulha de semeadura, esgota-se o material por meio de estrias contínuas na superfície do meio de cultura solidificado em placas ou em tubos em bisel longo. 2. Técnica de esgotamento descontínuo por estrias: através de uma alça ou agulha de semeadura, esgota-se o material por meio de estrias descontínuas, intercaladas com flambagens, na superfície do meio. MÉTODOS DE SEMEADURA DE MICRORGANISMOS 2. Técnica de esgotamento descontínuo por estrias: Colônias isoladas Aparência das colônias após a incubação Realizar a flambagem da alça entre os usos consecutivos até que a alça fique vermelha. IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 1. Características dos microrganismos: MORFOLOGIA DAS COLONIAS IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 2. Coloração Coloração simples: realizada com uma única solução corante. As células coram-se uniformemente com esta técnica. (ex.: Violeta de genciana) Coloração diferencial: envolve mais de uma solução corante. Evidencia diferenças entre as células microbianas ou parte das células. (ex.: Coloração de Gram, Coloração de Zihel- Nielsen) IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 3. Características Metabólicas Existem vários testes laboratoriais que podem determinar a atividade metabólica (metabolismo oxidativo, metabolismo fermentativo, catabolismo protéico) de um organismo. O registro das reações realizadas por uma espécie microbiana é útil e muitas vezes essencial para sua identificação. IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 4. Características Fisiológicas Condições físicas como a atmosfera gasosa, a temperatura, o pH, a luminosidade e os fatores de crescimento próprios de cada microrganismo também fornecem parâmetros para a identificação. Por exemplo, os microrganismos do corpo humano crescem a 35°C e os do oceano a temperaturas entre 4 e 20°C. IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 5. Características Antigênicas Uma célula microbiana apresenta estruturas físicas em sua superfície que podem agir como antígeno e induzir, desta forma, a produção de anticorpos. Os anticorpos produzidos em animais de laboratório podem ser usados para detectar a presença de antígenos únicos em culturas bacterianas e são usados para caracterizar microrganismos. IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 6. Características patogênicas A inoculação do microrganismo em hospedeiro sensível (animal, plantas ou micróbios), com a finalidade de reproduzir a doença, poderá determinar se este é ou não um patógeno. IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 6. Características patogênicas IDENTIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS 7. Características genéticas Através dos avanços na biologia molecular surgiram técnicas que permitem realizar análises genéticas para classificar ou identificar os microrganismos ou compreender a sua atividade, através de métodos mais sensíveis e precisos. CONSERVAÇÃO DE CULTURAS PURAS Conservação por um curto período (dias a meses): � Armazenagem à temperatura de refrigeradores (4°C a 10°C) � Repiques freqüentes Conservação por longos períodos: � Nitrogênio líquido a -196°C � Freezers a -70°C/ -120°C � Liofilização (congelamento a seco): Na liofilização as amostras são congeladas, desidratadas e fechadas à vácuo, o que possibilita a viabilidade das culturas por muitos anos. Esta técnica permite a obtenção de uma coleção de microrganismos como referência, por exemplo.
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