Representação Gráfica.
Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares.
Crescimento Populacional: .
A taxa de crescimento é a variação no número
ou massa por unidade de tempo.
O tempo de geração é o intervalo de tempo necessário para que uma célula se duplique. O tempo de geração é variável para os diferentes organismos, podendo ser de 10 a 20 minutos até dias, sendo que em muitos dos organismos conhecidos, este varia de 1 a 3 horas. O tempo de geração não corresponde a um parâmetro absoluto, uma vez que é dependente de fatores genéticos e nutricionais, indicando o estado fisiológico da cultura. O tempo de geração pode ser calculado quando uma cultura encontra-se em fase exponencial, pela fórmula abaixo:
N=No.2n, onde N= número final de células, No= número inicial de células, n= número de gerações.
n= log(N) - log(No)/0.301
g = t/n , onde g= tmpo de geração, t= tempo de crescimento e n= determinado acima.
O tempo de geração é o intervalo de tempo necessário para que uma célula se duplique. O tempo de geração é variável para os diferentes organismos, podendo ser de 10 a 20 minutos até dias, sendo que em muitos dos organismos conhecidos, este varia de 1 a 3 horas. O tempo de geração não corresponde a um parâmetro absoluto, uma vez que é dependente de fatores genéticos e nutricionais, indicando o estado fisiológico da cultura. O tempo de geração pode ser calculado quando uma cultura encontra-se em fase exponencial, pela fórmula abaixo:
N=No.2n, onde N= número final de células, No= número inicial de células, n= número de gerações.
n= log(N) - log(No)/0.301
g = t/n , onde g= tmpo de geração, t= tempo de crescimento e n= determinado acima.
Lag: período variável, onde ainda não há
um aumento significativo da população. Ao contrário,
é um período onde o número de organismos permanece praticamente
inalterado. Esta fase é apenas observada quando o inóculo inicial
é proveniente de culturas mais antigas. A fase lag ocorre porque as
células de fase estacionária encontram-se depletadas de várias
coenzimas essenciais e/ou outros constituintes celulares necessários
à absorção dos nutrientes presentes no meio.
A fase lag também é observada quando as células sofrem traumas físicos (choque térmico, radiações) ou químicos (produtos tóxicos), ou quando são transferidas de um meio rico para outro de composição mais pobre, devido a necessidade de síntese de várias enzimas. Assim, durante este período observa-se um aumento na quantidade de proteínas, no peso seco e no tamanho celular.
Log ou exponencial: nesta etapa, as células estão plenamente adaptadas, absorvendo os nutrientes, sintetizando seus constituintes, crescendo e se duplicando. Deve ser levado em conta também que neste momento, a quantidade de produtos finais de metabolismo ainda é pequena. A taxa de crescimento exponencial é variável, de acordo com o tempo de geração do organismo em questão. Geralmente, procariotos crescem mais rapidamente que eucariotos. Nesta fase são realizadas as medidas de tempo de geração. Geralmente, ao final da fase log, as bactérias passam a apresentar fenótipos novos, decorrentes do processo de comunicação denominado "quorum sensing".
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).
Declínio: 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.
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).
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.
Efeito dos fatores ambientais no crescimento
O crescimento dos microrganismos é grandemente afetado pelas condições físicas e químicas do ambiente onde se encontram, sendo que estas podem influir positivamente ou negativamente de acordo com o microrganismo em questão.
Temperatura: Corresponde a um dos principais fatores ambientais que influenciam o desenvolvimento bacteriano. A medida que há um aumento da temperatura, as reações químicas e enzimáticas na célula tendem a tornar-se mais rápidas, acelerando a taxa de crescimento. Entretanto, em determinadas temperaturas inicia-se o processo de desnaturação de proteínas e ácidos nucléicos, inviabilizando a sobrevivência celular.
Assim, todos os microrganismos apresentam uma faixa de temperatura onde desenvolvem-se plenamente. Nesta faixa de temperatura podemos determinar as temperaturas mínima, ótima e máxima (temperaturas cardeais), para cada microrganismo. A temperatura máxima provavelmente reflete os processos de desnaturação mencionados acima, enquanto os fatores que determinam a temperatura mínima ainda não são bem conhecidos, embora certamente a fluidez da membrana seja um dos fatores determinantes destes níveis térmicos baixos.
A fase lag também é observada quando as células sofrem traumas físicos (choque térmico, radiações) ou químicos (produtos tóxicos), ou quando são transferidas de um meio rico para outro de composição mais pobre, devido a necessidade de síntese de várias enzimas. Assim, durante este período observa-se um aumento na quantidade de proteínas, no peso seco e no tamanho celular.
Log ou exponencial: nesta etapa, as células estão plenamente adaptadas, absorvendo os nutrientes, sintetizando seus constituintes, crescendo e se duplicando. Deve ser levado em conta também que neste momento, a quantidade de produtos finais de metabolismo ainda é pequena. A taxa de crescimento exponencial é variável, de acordo com o tempo de geração do organismo em questão. Geralmente, procariotos crescem mais rapidamente que eucariotos. Nesta fase são realizadas as medidas de tempo de geração. Geralmente, ao final da fase log, as bactérias passam a apresentar fenótipos novos, decorrentes do processo de comunicação denominado "quorum sensing".
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).
Declínio: 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.
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).
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.
Efeito dos fatores ambientais no crescimento
O crescimento dos microrganismos é grandemente afetado pelas condições físicas e químicas do ambiente onde se encontram, sendo que estas podem influir positivamente ou negativamente de acordo com o microrganismo em questão.
Temperatura: Corresponde a um dos principais fatores ambientais que influenciam o desenvolvimento bacteriano. A medida que há um aumento da temperatura, as reações químicas e enzimáticas na célula tendem a tornar-se mais rápidas, acelerando a taxa de crescimento. Entretanto, em determinadas temperaturas inicia-se o processo de desnaturação de proteínas e ácidos nucléicos, inviabilizando a sobrevivência celular.
Assim, todos os microrganismos apresentam uma faixa de temperatura onde desenvolvem-se plenamente. Nesta faixa de temperatura podemos determinar as temperaturas mínima, ótima e máxima (temperaturas cardeais), para cada microrganismo. A temperatura máxima provavelmente reflete os processos de desnaturação mencionados acima, enquanto os fatores que determinam a temperatura mínima ainda não são bem conhecidos, embora certamente a fluidez da membrana seja um dos fatores determinantes destes níveis térmicos baixos.
Temperaturas cardeais dos microrganismos
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)
Dentre os diferentes microrganismos observa-se uma ampla variedade de faixas de temperatura, onde para alguns o ótimo encontra-se entre 5 e 10°C, enquanto para outros é de 90 a 100°C. Assim, os microrganismos podem ser classificados em quatro grupos, de acordo com os ótimos de temperatura: psicrófilos (0 a 20°C, ótimo de ≈ 15°C - Flavobacterium), mesófilos (12 a 45°C, 37°C - E. coli), termófilos (42 a 68°C, 62°C - Thermococcus), e hipertermófilos (80 a 113°C, 105°C - Pyrodictium brockii).
Tipos de bactérias em relação à temperatura
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)
Psicrófilos: os ambientes frios são predominantes na Terra (oceanos, polos, solos) entretanto este grupo (bactérias, fungos e algas) é muito pouco estudado. Destes, os mais conhecidos são as algas que crescem sob o gelo ou em geleiras (Chlamydomonas nivalis), dando coloração vermelha.
Há os microrganismos psicrotolerantes que são aqueles cujo ótimo encontra-se entre 20 e 40°C e que sobrevivem a 0°C. São um grupo amplo (bactérias, fungos, algas e protozoários) que podem contaminar alimentos e outros substratos refrigerados.
Mesófilos: crescem numa faixa de 20 a 40°C, com um ótimo em torno de 37°C, sendo os principais microrganismos encontrados em animais de sangue quente.
Termófilos e Hipertermófilos: ótimos de 45 e ≥ 80°C, respectivamente. São encontrados nos solos, silagem, fontes termais e no fundo oceânico, em fontes. Geralmente são procariotos, sendo as Archaea as mais resistentes, apresentando enzimas e proteínas termoestáveis, provavelmente devido à substituição de aminoácidos, conferindo um novo folding. Têm também uma maior concentração de ácidos graxos saturados na MC. As Archaea não tem ácidos graxos na MC, mas sim hidrocarbonetos de cadeias com diferentes comprimentos, compostas por unidades repetitivas de 5 C (fitano), ligadas a glicerol fosfato, por ligação éter.
Os termófilos e hipertermófilos tem grande interesse biotecnológico porque tendem a fazer os processo mais rapidamente, com menor contaminação por outros microrganismos e possuem enzimas mais termoestáveis.
pH: Os ambientes naturais tem uma faixa de pH de 5 a 9, o que comporta o crescimento de diferentes tipos de microrganismos.
Bactérias - faixa entre 7, com algumas acidófilas (Thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ótimo entre 2 e 3,5) e outras alcalifílicas (Bacillus e Archaea).
Fungos - tendem a ser mais acidófilos que as bactérias (pH <5).
Distribuição de alguns microrgansmos, de acordo com o pH
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)
Tensão de O2: Extremamente importante no desenvolvimento, uma vez que os microrganismos comportam-se de forma bastante distinta, sendo classificados como aeróbios, anaeróbios facultativos, anaeróbios estritos, anaeróbios aerotolerantes e microaerófilos (requerem concentrações baixas de O2).
As condições de anaerobiose podem ser conseguidas pelo uso de agentes redutores nos meios de cultura, tais como o tioglicolato de sódio, que reage com o oxigênio, formando água; pela remoção mecânica do oxigênio, sendo substituído por nitrogênio e CO2; pelo uso de sistemas comerciais do tipo "GasPak", que gera hidrogênio e CO2 com um catalisador de paládio. Adiciona-se água ao sistema, a qual gera hidrogênio, que reage com o oxigênio na superfície do catalisador, formando água; ou ainda pelo uso de "glove box" anaeróbias ou a mesa inoculadora desenvolvida pelo VPI.
Classes de organismos, em relação à tensão de oxigênio
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)
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).
Pressão osmótica: Fator extremamente importante, principalmente a partir do maior conhecimento sobre as Archaea, visto que vários membros deste domínio requerem altas concentrações de sais para seu desenvolvimento.
Classes de organismos, em relação à salinidade
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)
Fatores adicionais:
Fonte luminosa para fototróficos autotróficos.
Pressão atmosférica, para aqueles que vivem em profundidades.
