Fisiologia e Crescimento Bacteriano

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Fisiologia e Crescimento Microbiano
Como qualquer outro ser, as bactérias possuem exigências nutricionais, necessitando de uma temperatura ou pH adequado.
Aumento em tamanho da população, do número de células, do aumento da massa celular, que se duplicação através da fissão binária, com um determinado tempo, chamado de tempo de geração.
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).
Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares.
Grupos Nutricionais:
· Foto autotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, e CO2 é fonte de C para sintetizar compostos orgânicos, como bactérias fotossintéticas, cianobactérias, algas, etc.
· Foto heterotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, mas o C é obtido em formas orgânicas mais complexas;
· Quimioautotróficos: energia obtida pela oxidação de compostos inorgânicos como HSS, NH3, Fe2 e CO2, como fonte de C (bactérias que oxidam S, bactérias nitrificadoras, bactérias que oxidam H2, bactérias que oxidam Fe);
· Quimioheterotróficos: energia e C obtidos de moléculas orgânicas complexas.
Fatores necessários para o crescimento:
Fatores físicos
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.
Psicrófilos:
· -5°C a 20°C;
· 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 refrigeração (4°C);
· Encontrados em alimentos estragados.
Mesófilos:
· 20°C a 50°C;
· 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:
· 50°C a 80°C;
· Temperatura ótima: 50 a 60°C;
· Ambiente de águas termais (não crescem em temp. < 45°C);
· Material estocado (altas temp.) = compostagem.
Termófilos extremos: acima de 80°C.
Importância:
· Respostas enzimáticas;
· Respostas a choques térmicos;
· Razão de crescimento.
pH:
· Refere-se à acidez ou a alcalinidade de uma solução;
· A maioria dos microrganismos crescem melhor perto da neutralidade (pH 6,5 – 7,5);
· Poucas bactérias são capazes de crescer em pH ácido (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 2,0 e 3,5);
· Bactérias alcalificas: Bacillus e Archaea) (pH 10 – 11).
Fungos: tendem a ser mais acidófilos que as bactérias (pH < 5).
· Neutrófilos: pH ≈ 7,0
· Acidófilos: pH < 7,0
· Alcalóficos: pH > 7,0
Importância:
· Atividade enzimática;
· Conformação proteica;
· Disponibilidade de metais e elementos orgânicos.
Pressão osmótica: os microrganismos retiram da água a maioria dos nutrientes solúveis (conteúdo celular 80 – 90% de água).
Reação hipertônica: perda de H2O do meio intracelular para o extracelular, através da membrana plasmática (meio com concentração de sais).
Plasmólise: diminuição da membrana plasmática da célula devido a perda de H2O por osmose.
· 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;
· Halófilos facultativos: mais abundante e não exigem altas concentrações de sais.
Adição de sais:
- Plasmólise;
- Preservação de alimentos (exemplo: peixe salgado);
- Alta concentração de sal ou açúcar.
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 bombardeamento de íons para o interior celular ou pela síntese de solutos orgânicos (açúcares, álcoois ou aminoácidos).
Carbono: essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos necessários para a viabilidade celular (elemento estrutural básico para os seres vivos).
Organismos Quimioheterotróficos: obtém C a partir de materiais orgânicos como proteínas, carboidratos e lipídeos.
Organismos quimioautotróficos e fotoautotróficos -> C a partir de CO2.
Nitrogênio, Enxofre e Fósforo:
· N e S: síntese de proteínas;
· N e P: síntese de DNA e RNA, ATP.
Peso seco de uma célula bacteriana: 14% de N, 4% de 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=)
Bactérias fixadoras de Nitrogênio: algumas bactérias são capazes de utilizar N gasoso diretamente da atmosfera.
Microrganismos do solo (exemplo: 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 como soja ou feijão).
Cultivo de leguminosas: > fertilidade do solo sem a necessidade de implementação de fertilizantes químicos.
Enxofre: utilizado na síntese de aminoácidos contendo S e de vitaminas (tiamina e biotina).
Fontes naturais de S: íon sulfato (SO4=2), sulfito de hidrogênio, aminoácidos.
Fósforo: essencial para a síntese dos ácidos nucleicos e para os fosfolipídeos componentes da membrana celular.
Fontes naturais de P: íon fosfato (PO4-3), DNA, RNA, ATP.
 Potássio, Magnésio e Cálcio: também são elementos essenciais para os microrganismos, frequentemente encontrados como cofatores para as reações enzimáticas.
Ferro, Cobre, Molibdênio, Zinco: são elementos traços, utilizados como cofatores essenciais para atividade de algumas enzimas.
Utilizar água destilada para meio de cultura – contém todos os elementos traços.
Oxigênio: extremamente importante no desenvolvimento microbiano.
Importância:
· Respiração;
· Reações de oxido-redução;
· Atividade enzimática.
São classificados em:
Aeróbios:
· Estritos (obrigados): necessitam de O2;
· Facultativos: não necessitam de O2, mas crescem melhor com O2;
· Microaerófilo: necessitam de O2, mas em níveis menores.
Anaeróbios:
· Aerotolerantes: não necessitam de O2, mas crescem melhor sem O2;
· Estritos (obrigados): não toleram O2 (letal).
Capacidade de troca de íons:
Importância:
· Disponibilidade de nutrientes;
· Ligações substrato-microrganismo;
· Defesa;
· Atração de íons.
Fatores que afetam o crescimento:
Fatores biológicos:
Fauna e o substrato:
· Ingestão;
· Ciclagem de nutrientes;
· Composição da comunidade.
Interações microbianas:
· Neutralismo;
· Comensalismo;
· Sinergismo;
· Mutualismo.
Biodisponibilidade:
· Adsorção;
· Solubilidade;
· Especiação química.
· Competição;
· Amensalismo/Antagonismo;
· Parasitismo;
· Predação.
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 conhecida.
· Meio complexo: composição química não conhecida (composto por nutrientes como extrato de levedura, de carne ou de plantas).
· Meio seletivo: favorece o crescimento de uma determinada bactéria de interesse, impedindo o crescimento de outras bactérias.
Exemplo: ágar Sabouraud dextrose, pH 5 ou 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.
Exemplo: meio ágar-sangue, utilizado para a identificação de bactérias capazes de destruir células sanguíneas (anel claro em torno da colônia).
· Meio de enriquecimento: favorece o desenvolvimentode uma população bacteriana que está em desvantagem entre outras espécies.
· Meios redutores: meios com reagentes, como o tioglocilato 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
· Expressão matemática do crescimento.
Progressão geométrica do número 2
Exemplo:
2 4 8 16 32 ... X
2¹ 2² 2³ 24 25 ... 2n
Crescimento bacteriano
Divisão bacteriana: o aumento do número de indivíduos e não o tamanho celular.
Brotamento: < número de bactérias (forma um broto que quando atinge o tamanho da célula parental, se separa).
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 se encontram;
4. Produção de duas células individuais idênticas à célula mãe.
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 – 3h;
· Depende da espécie e das condições de crescimento: g = t/n
g = tempo de geração;
t = tempo de crescimento;
n = número de gerações dentro de um tempo t 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.
Fases da curva de crescimento:
Fase de “lag”: nesta fase os microrganismos não revelam um aumento de número em determinações de massa, toda via, geralmente demonstram que há um aumento, reflexo de um aumento no tamanho dos indivíduos.
Fase de crescimento exponencial: nesta fase os microrganismos se encontram na plenitude de suas capacidades, num meio cujo suprimentos de nutrientes é superior às necessidades do microrganismo.
Fase estacionária: nesta fase, a velocidade de crescimento dos microrganismos vai diminuindo até atingir a fase em que o número de novos microrganismos é igual ao número de microrganismos que morre. As causas dessa parada de crescimento podem ser devido ao acúmulo de metabólitos tóxicos, o esgotamento de nutrientes e o esgotamento de O2.
Fase de declínio ou morte: nesta fase, a quantidade de microrganismos que morre torna-se progressivamente superior àquela dos que surgem.
Métodos para quantificar o crescimento
Quantificação direta:
1. Contagem em placas: Técnica mais utilizada na determinação do tamanho da população bacteriana.
Vantagem: qualificação de células viáveis;
Desvantagem: tempo (24h para o aparecimento das colônias).
2. Filtração:
· < número 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 100mL de água.
· Filtro posteriormente transferido para uma placa de Petri contendo meio sólido.
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. 10mL);
b. Diluição a partir de um médio volume de inóculo (ex. 1mL);
c. Diluição a partir de um baixo volume de inóculo (ex. 0,1mL);
d. Contagem do número de tubos positivos;
e. Estimativa do número de células/mL de bactérias.
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 ou difícil contagem para bactérias móveis.
Quantificação indireta:
1. Turbidimetria:
· Monitoramento do crescimento bacteriano através da turbidez;
· Espectrofotômetro (660nm).
A quantidade de luz que atravessa o detector é inversamente proporcional ao número de bactérias.
Quanto > o número de bactérias < a quantidade de luz que é transmitida.
2. Atividade metabólica:
· Quantidade de um certo produto (como ácido ou CO2) é diretamente proporcional ao número de células bacterianas.
3. Peso seco: principalmente para fungos filamentosos.
a. Fungo é removido do meio por filtração;
b. Seco em dessecador;
c. Posterior pesagem.
Metabolismo bacteriano:
· Nutrientes garantidos pelo ambiente, assimilados em condições adequadas ou absorvidos e transformados para que cumpram suas funções básicas:
· Suprimento de energia;
· Matéria-prima – estruturas celulares ou em moléculas acessórias à sua síntese e funcionamento.
Obtenção de energia:
· As substâncias com alto valor energético são sempre aquelas com elevado grau de redução;
· A maioria das bactérias (exceto fotossintetizantes) obtém toda energia por oxidação desses substratos;
· As substâncias preferencialmente oxidadas por microrganismos são os açúcares, seguidos de proteínas, peptídeos e, mais raramente, as gorduras;
· As bactérias utilizam energia para o transporte de nutrientes, o movimento dos flagelos, mas sobretudo para as biossínteses.
Fermentação:
· Metabolismo no qual os compostos orgânicos servem como doadores e receptores de elétrons (hidrogênio). A fermentação conduz, geralmente, à quebra parcial de moléculas de glicose (glicólise);
· Dentre os vários tipos de fermentação, pode-se citar:
· Fermentação homolática: produção de ácido lático como produto final.
· Fermentação alcoólica: produção de álcool como produto final.
· Fermentação mista: produção de álcool, ácido e gás.
· Fermentação butileno-glicólica: produção do butileno glicol (não ácido) como produto final.
Putrefação: Decomposição de compostos nitrogenados (proteínas), utilizando-se de substância orgânica como aceptor-doador de elétrons.
· É um tipo de fermentação que produz finais de odor desagradável:
· Indol;
· Escatol;
· Ácido sulfídrico;
· Ex: Clostridium.
Respiração: Decomposição microbiana de substratos cujo receptor de hidrogênio é o oxigênio.
· Na respiração ocorrem as seguintes etapas:
· Ciclo de Krebs;
· Cadeia transportadora de elétrons;
· Fosforilação oxidativa.
· Respiração anaeróbica: quando o oxigênio é substituído por outro receptor inorgânico de elétrons.