Enviado por Rubens Portal Junior
Introdução Em procariotos, o termo crescimento indica aumento do número de células ou aumento da massa de uma
população, ou seja, crescimento populacional. Uma população bacteriana é um conjunto de indivíduos da mesma espécie que se originaram da divisão de células individuais. Uma população bacteriana pode existir na forma de células esparsas, em colônias ou formando biofilmes. Populações bacterianas constituídas de células livres, ou de organismos multicelulares, ocorrem na natureza em ambientes de água doce ou salgada em amplos espectros de temperatura e pressão hidrostática. Colônias são agregados de centenas a milhares de células bacterianas, da mesma espécie, e que podem se originar a partir um único indivíduo. Uma colônia é formada por uma ou mais camadas de células aderidas entre si, sendo que a primeira camada de células se encontrada aderida a uma superfície sólida ou pastosa. Os indivíduos de uma colônia exibem interações celulares significativas e cooperação, mas também algum grau de competição. Biofilmes podem ser compostos por uma população ou uma comunidade complexa de múltiplas espécies microbianas, muitas vezes em associação com fungos, embebidas em um material extracelular que funciona como uma interface que se adere a uma superfície biótica ou abiótica. Em um biofilme, as populações e comunidades participantes são interdependentes funcionando, de forma complexa e coordenada, como um consórcio cooperativo. Do ponto de vista bioquímico, cada célula bacteriana é uma unidade catalítica. Quando uma bactéria se divide, cada novo indivíduo pode catalisar a biossíntese de material celular adicional. Assim, o número de unidades catalíticas aumenta com o tempo e, como conseqüência, biomassa é sintetizada em uma taxa progressiva na população em crescimento. Sob condições ótimas de crescimento, ou seja, condições físicas, químicas e nutricionais adequadamente balanceadas, muitas espécies bacterianas apresentam um tempo de geração médio de 20 minutos, ou seja, a cada 20 minutos uma nova geração de indivíduos é produzida. Neste caso, em uma cultura real, cada célula da população se divide em algum momento dentro do tempo de geração de 20 minutos, ou seja, 1/20 das células da população se divide a cada minuto. Isto reflete uma situação natural denominada crescimento não-sincrônico. Considerando-se uma população bacteriana composta por milhares de indivíduos em crescimento ativo por fissão binária, pode-se presumir que a cada tempo de geração a população dobra de tamanho. Isto decorre do modo de reprodução por fissão binária no qual a divisão de uma única célula resulta em duas novas células. Estas dividir-se-ão produzindo quatro novas células, as quais, dividindo-se, produzirão oito novas células e assim por diante. Este tipo de crescimento é denominado crescimento exponencial ou logarítmico, no qual o número de indivíduos dobra a cada geração. Todas as formas de vida, incluindo a humana, são capazes deste tipo de crescimento populacional. As bactérias são organismos altamente adaptáveis capazes de crescer utilizando um elevado número de distintas fontes de carbono e nitrogênio e de ocupar uma variedade inesgotável de nichos ecológicos. A chave para a adaptabilidade bacteriana é sua capacidade de expressar somente os genes para enzimas e vias bioquímicas que são requeridos para uma taxa máxima de crescimento no ambiente particular em que se encontram. Isto é possível por sua habilidade de reconhecer a composição química e física de seu ambiente percebendo sinais que emanam dele, por exemplo, a presença de um determinado açúcar, como a lactose. Essa faculdade é codificada por conjuntos de genes que somente se expressam quando necessário. Portanto, o crescimento bem sucedido de uma população bacteriana reflete seu grau de adaptação à composição física e química de um determinado ambiente. As distintas espécies bacterianas diferem no âmbito de fatores dentro dos quais podem crescer. Cada grupo bacteriano tem uma faixa de condições nas quais seu crescimento atinge uma taxa ótima. Para se determinar as condições ambientais ótimas de crescimento considera-se o ambiente no qual a bactéria é normalmente encontrada. Contudo, isto é problemático, uma vez que mesmo um único centímetro cúbico de solo pode conter centenas de micro ambientes. Os limites ambientais nos quais os microrganismos podem viver e se reproduzir não são precisamente definidos. A grande maioria das bactérias conhecidas cresce na faixa de condições ambientais ocupada pela maioria das espécies vivas. Excepcionalmente, os procariotos pertencentes ao domínio Archaea podem viver
Quanto à temperatura de crescimento. fatores químicos e físicos tais como disponibilidade de nutrientes essenciais. as bactérias foram agrupadas em quatro categorias: mesófilas. abaixo da qual a porção lipídica da membrana plasmática não apresenta fluidez suficiente para funcionar apropriadamente. tais como fontes de carbono. radiação ionizante ou ultravioleta.em condições ambientais extremas tais como temperaturas atingindo 115ºC. uma temperatura mínima para o crescimento. pH. Contudo. o tempo de vida de uma bactéria vai do término da divisão celular anterior até o final da próxima divisão. nitrogênio. presença de outros microrganismos predadores. Nutrientes O crescimento bacteriano exige a disponibilidade de nutrientes essenciais. Princípios básicos do crescimento bacteriano Toda bactéria tem seu ambiente ideal onde encontra condições ótimas de crescimento Uma população bacteriana é um sistema dinâmico. com células se dividindo e morrendo todo o tempo Fatores que afetam o crescimento bacteriano Vários fatores podem afetar o crescimento de uma população bacteriana. fósforo. Freqüentemente. com células se dividindo e morrendo todo o tempo. sob altíssimas pressões hidrostáticas a grandes profundidades marinhas. também. Uma população bacteriana é um sistema dinâmico. Se a população aumenta. perdendo sua funcionalidade. Por temperatura ótima de crescimento entende-se aquela em que as células dividem-se mais rapidamente. As temperaturas mínima e máxima de crescimento são a menor e a maior temperaturas que permitem a divisão celular nas bactérias. ou seja. em valores de pH próximos de zero e salinidade próxima do ponto de saturação. A disponibilidade de nutrientes diminui à medida que a população aumenta de tamanho. osmolaridade. concentração de oxigênio. Tempo de vida das bactérias Toda bactéria tem seu ambiente ideal onde encontra condições ótimas de crescimento. ou seja. luz. resultando em crescimento exponencial. a . À medida que a temperatura se aproxima de um valor ótimo. incluindo o tipo de ambiente. desde que haja disponibilidade de nutrientes e espaço. enxofre. enquanto houver um mínimo de nutrientes a população continuará a crescer. a taxa de crescimento também aumenta. para praticamente qualquer substância há um microrganismo capaz de metabolizá-la como nutriente. As bactérias são grandemente diversificadas em relação aos seus requerimentos nutricionais. Uma população de bactérias existe por tempo indeterminado. População O tamanho da população afeta o número de novas células que serão formadas. ácidos nucléicos ou lipídios serão desnaturadas. psicrófilas facultativas e termófilas Bactérias mesófilas Bactérias mesófilas apresentam crescimento ótimo em temperaturas variando entre 25ºC e 40ºC. para praticamente qualquer mudança ambiental há algum microrganismo que pode sobreviver. número de indivíduos na população. Há. a temperatura ótima para o crescimento está mais próxima da máxima do que da mínima. apresentam um tempo de geração mais curto. presença de metabólitos tóxicos resultantes do metabolismo das células da população em crescimento ou presença de agentes antimicrobianos tais como bacteriocinas e antibióticos. há um limite além do qual algumas macromoléculas termos-sensíveis tais como proteínas. psicrófilas obrigatórias. ferro e outros minerais com os quais as bactérias podem sintetizar precursores de macromoléculas orgânicas e vitaminas. As diferentes espécies bacterianas diferem no espectro de temperatura na qual podem crescer. temperatura. as reações químicas tendem a ocorrer mais rapidamente com aumento da taxa de divisões celulares. ou quando incapazes da síntese de um precursor essencial este deve estar presente no meio de crescimento. a taxa de crescimento aumenta rapidamente porque a cinética de reação das enzimas das células da população aumenta de modo diretamente proporcional. interações dinâmicas com outras populações bacterianas. Considerando-se uma célula isolada. sendo que. Os microrganismos podem viver em um grande número de ambientes. Temperatura A temperatura pode ter efeitos positivos ou negativos sobre o crescimento de uma população bacteriana. pressão hidrostática.
Estas moléculas permanecem fluidas em temperaturas nas quais membranas contendo ácidos graxos saturados não são funcionais. geralmente vivem como mesófilas. Clostridium botulinum e Listeria monocytogenes. A maioria das bactérias apresenta um crescimento ótimo em ambientes cujo pH se aproxima da neutralidade. embora mais lentamente.5. As enzimas dos organismos termófilos apresentam propriedades de termo-estabilidade que lhes permitem atingir um pico de atividade entre 60ºC e 80ºC. representando uma séria ameaça à segurança dos alimentos. e se o material suportar congelamento. Os esporos dessa bactéria são utilizados para controlar o funcionamento de autoclaves em laboratórios de microbiologia. as bactérias podem ser classificadas em três categorias: neutrófilas. Sua adaptação a baixas temperaturas é devido ao alto conteúdo de ácidos graxos insaturados em suas membranas. altas e baixas temperaturas são utilizadas para evitar o crescimento de microrganismos. mas podem suportar temperaturas elevadas por curtos períodos de tempo. Tais organismos morrem quando expostos à temperatura ambiente.apresentam propriedades de estrutura e função excepcionais de alta termo-estabilidade e atividade ótima em temperaturas acima de 70ºC. Algumas espécies toleram temperaturas de até 110 °C em fontes termais. em casos de armazenamento por longos períodos de tempo. são encontradas em pilhas de adubo orgânico.4 a 8. a temperatura ideal é 30°C negativos. Do ponto de vista prático. tais como Bacillus cereus. Quanto à tolerância ao pH. em temperaturas de refrigerador e têm alta probabilidade de contaminar e estragar produtos resfriados tais como alimentos (por exemplo.faixa de temperatura mais comum na superfície da Terra e nos organismos animais. faixa na qual encontra-se a maior parte dos ambientes naturais. Thermocrinis e Thermotoga. Bactérias neutrófilas Bactérias neutrófilas crescem em faixas de pH entre 5. Nenhum psicrófilo sobrevive no corpo humano. acidófilas e alcalinófilas. A bactéria Bacillus stearothermophillus cresce otimamente entre 65 e 75°C. pH A maioria das espécies bacterianas pode crescer em meios cujo pH esteja entre 5 e 9. A maioria das bactérias não crescem em valores de pH com uma unidade acima ou abaixo do seu pH ótimo. mas pode apresentar um pequeno crescimento e deteriorar alimentos em temperaturas em torno de 30°C. A bactéria Thermotoga maritima habita solos oceânicos aquecidos a 85ºC por atividade vulcânica. tais bactérias podem sobreviver e deteriorar o produto.enzimas hipertermofílicas . Há apenas três gêneros de bactérias hipertermófilas: Aquifex. Bactérias termodúricas. A maioria das bactérias patogênicas . A refrigeração de alimentos a 4°C impede o sua deterioração por organismos psicrófilos e pela maioria da bactérias. Altas temperaturas são utilizadas para esterilização de materiais. Bactérias psicrófilas facultativas Bactérias psicrófilas facultativas ou psicrotróficas apresentam crescimento ótimo em temperaturas abaixo de 20ºC. o crescimento ótimo se dá abaixo de 15ºC. Dentre os termófilos obrigatórios encontram-se as bactérias hipertermófilas que apresentam crescimento ótimo em temperaturas em torno e acima dos 85°C. Algumas dessas enzimas são ativas em temperaturas que atingem 115ºC. As enzimas dos organismos hipertermófilos . como aqueles utilizados em laboratórios e na prática médica. A maioria dos patógenos humanos apresenta crescimento ótimo em temperaturas próximas de 37°C. Mas. Não se conhecem microrganismos eucarióticos termófilos ou hipertermófilos. Nenhuma espécie bacteriana pode tolerar a faixa inteira de temperatura em qualquer uma dessas categorias e muitas espécies toleram faixas de temperatura que se sobrepõem entre uma categoria e outra. Dentro dessa categoria encontram-se os organismos termófilos obrigatórios que só crescem em temperaturas acima de 37°C e os termófilos facultativos que podem crescer em temperaturas abaixo de 37° C. Bactérias psicrófilas obrigatórias Bactérias psicrófilas obrigatórias requerem baixas temperaturas para seu crescimento. Se o processo de aquecimento de alimentos envasados em recipientes metálicos ou de vidro for inadequado. mas podem crescer. Algumas espécies marinhas toleram temperaturas negativas uma vez que a água do mar permanece líquida em temperaturas abaixo de 0°C. Bactérias termófilas Bactérias termófilas são aquelas cujas taxas de crescimento ótimo estão entre 50ºC e 60ºC. Bacillus cereus) e sangue. Tanto enzimas termofílicas quanto hipertermofílicas não funcionam adequadamente sob temperaturas abaixo de 40ºC. A bactéria Bacillus globisporus não cresce em temperaturas acima de 20°C.
A maioria das espécies anaeróbicas estritas é encontrada no solo ou em micro-ambientes em organismos animais que tenham se tornado anaeróbicos. A grande maioria das bactérias associadas aos intestinos de animais são anaeróbicas estritas. tais como a exclusão total do oxigênio do meio e do ambiente de crescimento através do uso de agentes redutores que reajam com o oxigênio gasoso. mas também podem crescer na ausência de oxigênio. Clostridium botulinum (causadora do botulismo) e as bactérias associadas com doenças periodontais.5 e 11. Bactérias microaerófilas Bactérias microaerófilas requerem uma quantidade reduzida de oxigênio. Oxigênio A capacidade de crescer na presença ou ausência de oxigênio divide as bactérias em cinco grupos: aeróbicas estritas. Bactérias aeróbicas estritas Bactérias aeróbicas estritas crescem apenas onde há disponibilidade de oxigênio.1 e 5. Para o crescimento de bactérias anaeróbicas estritas em laboratório são requeridos procedimentos especiais de cultivo. Todas as bactérias pertencentes à família Enterobacteriaceae são anaeróbicas facultativas. o radical superóxido (O2-) e peróxido de hidrogênio (H2O2) são formados como subprodutos das atividades das enzimas oxidativas que participam da síntese de ATP. Bactérias acidófilas Bactérias acidófilas crescem em faixas de pH extremamente baixos. anaeróbicas aerotolerantes. as bactérias do gênero Pseudomonas. Bactérias anaeróbicas aerotolerantes Bactérias anaeróbicas aerotolerantes suportam a presença de oxigênio. Por exemplo. anaeróbicas facultativas.está incluída nessa categoria. O peróxido de hidrogênio é convertido em oxigênio molecular e água pela enzima catalase (algumas espécies de bactérias anaeróbias facultativas e de aerotolerantes não possuem a catalase).5. como por exemplo. . como por exemplo. as bactérias do gênero Campylobacter. altas concentrações de oxigênio lhes são tóxicas. Nenhuma espécie bacteriana pode tolerar a faixa inteira de pH em qualquer uma dessas categorias e muitas espécies toleram faixas de valores de pH que se sobrepõem entre uma categoria e outra. Nas bactérias aeróbicas estritas e na maioria das anaeróbicas facultativas. o radical superóxido é convertido em oxigênio molecular (O2) e em peróxido de hidrogênio (H2O2) pela enzima superóxido dismutase. Bactérias anaeróbicas estritas Bactérias anaeróbicas estritas não crescem na presença de oxigênio que lhes é tóxico. Bactérias alcalinófilas Bactérias alcalinófilas crescem em faixas de pH entre 8. A bactéria oportunista Alcaligenes faecalis pode criar e tolerar condições alcalinas com pH 9 ou maior.4. Na presença de oxigênio. As bactérias microaerófilas sobrevivem em ambientes com alta concentração de dióxido de carbono e baixas concentrações de oxigênio. Algumas bactérias que reduzem enxofre a ácido sulfúrico podem gerar e tolerar condições em torno de pH 1. como Porphiromonas gengivallis e Prevotella intermedia. a bactéria Lactobacillus acidophillus. anaeróbicas estritas. como a bactéria Helicobacter pylori que pode colonizar a parede estomacal. As bactérias anaeróbicas estritas não sintetizam nem a catalase nem a superóxido dismutase e são mortas pelos efeitos tóxicos do superóxido e do peróxido de hidrogênio. São exemplos de organismos anaeróbicos estritos as bactérias do solo Clostridium tetani (causadora do tétano). Bactérias anaeróbicas facultativas Bactérias anaeróbicas facultativas utilizam oxigênio em seu metabolismo energético. sem utilizá-lo em seu metabolismo. entre 0. As bactérias Escherichia coli e espécies de Staphylococcus são encontradas no trato intestinal e urinário onde há pouca disponibilidade de oxigênio. microaerófilas. como ferimentos profundos ou a junção das gengivas com os dentes. A bactéria Vibrio cholerae apresenta um crescimento ótimo em pH 9.
A pressão dobra a cada aumento de dez metros na profundidade. Todos os hiper-halofílicos crescem em concentrações de sal próximas do ponto de saturação.5 M. Pressão hidrostática Pressão hidrostática é a pressão exercida pela água parada sobre os corpos nela mergulhados. apresentam crescimento ótimo em 0.15 M de cloreto de sódio (concentração fisiológica de sódio). Na ausência de umidade apenas endósporos bacterianos podem sobreviver. Apenas um grupo de procariotos. a maioria das células vegetativas das bactérias sobrevive apenas algumas horas sem umidade. todos os organismos sintetizam enzimas que detoxicam esses compostos. Halobacterium sp) habitam ambientes hiper-salinos e não crescem em concentrações de cloreto de sódio inferiores a 1. Supõe-se que altas pressões sejam requeridas para manter a conformação espacial de suas membranas e enzimas. Tais metabólitos são altamente reativos podendo destruir componentes celulares essenciais tais como proteínas. como por exemplo. Metabólitos tóxicos se acumulam rapidamente em grandes populações bacterianas. osmolaridade. Com exceção das bactérias anaeróbias estritas. conseqüentemente. As bactérias adaptadas aos ambientes dos intestinos dos animais. Uma das abordagens mais comuns no estudo do crescimento bacteriano é a obtenção de curvas de crescimento. Presença de agentes antimicrobianos Populações bacterianas têm suas taxas de crescimento afetadas quando houver a presença de agentes antimicrobianos produzidos por outras populações de microrganismos em ambientes naturais. as enzimas superóxido dismutase.Umidade Todas as células metabolicamente ativas requerem a presença de água. como cultura pura. a 50 metros de profundidade a pressão hidrostática é equivalente a 32 atmosferas. catalase e peroxidase. Osmolaridade A presença de solutos na água – sais ou açúcares que provocam a difusão de água para dentro ou fora da célula – é importante para a sobrevivência de uma bactéria. presença ou ausência de oxigênio e temperatura de incubação. tais como as bacteriocinas e antibióticos ou por antimicrobianos utilizados na antibioticoterapia para o tratamento de infecções bacterianas. ácidos nucléicos e lipídios. em meios de cultura e condições ambientais que variam em condições químicas e físicas. a bactéria E. . por exemplo. Uma linha de tendência passando pelos pontos do gráfico é uma curva exponencial e cada ponto por onde a curva passa indica o número teórico de células. Este processo não envolve clorofila. em um dado tempo. Metabolismo e toxicidade À medida que a população aumenta de tamanho aumenta o consumo de nutrientes com conseqüente aumento da produção de produtos secundários do metabolismo. Estas são representações gráficas do aumento do número de indivíduos em um determinado período de tempo (Figura 1). Estudo do crescimento bacteriano Para se estudar o crescimento de uma bactéria é preciso cultivá-la. diminuindo a taxa de crescimento da população. pH. denominadas barófilas suportam altas pressões em ambientes aquáticos. quando em baixos níveis têm pouco efeito nas taxas de divisões celulares. tais como fontes de nutrientes. Esses metabólitos. mas uma proteína ligada à membrana plasmática denominada de bacteriorodopsina. A pressão hidrostática é diretamente proporcional à profundidade. os arqueas halofílicos extremos (por exemplo. Por exemplo. mas em altas concentrações podem inibir a divisão celular ou mesmo matar as células. Algumas espécies de bactérias. Em um lago. coli crescendo em um meio de cultura rico e sob condições aeróbicas. Já as bactérias marinhas estão adaptadas à concentração salina da água do mar e seu crescimento é inibido em concentrações maiores ou menores de sais. Certas espécies de halobactérias sintetizam ATP usando energia luminosa. Uma vez que os microrganismos estão expostos diretamente ao ambiente. O metabolismo de todos os organismos gera produtos secundários tóxicos a partir do oxigênio. atinge uma concentração final de 2 a 5 X 109 células por ml em cerca de 12 a 18 horas.
Microbiologia. isoladamente ou em conjunto. A duração da fase exponencial é altamente variável dependendo tanto das características genéticas da bactéria quanto das condições ambientais. Bibliografia Black JG.. 1 . podendo até mesmo decrescer. Yano Y.A tendência de crescimento representada na Figura 1 só pode ser mantida indefinidamente se houver um suprimento ilimitado de nutrientes. Microbiologia: fundamentos e perspectivas. O número de indivíduos não aumenta nesta fase. Applied and . ambiente inalterável e espaço ilimitado. Em ambientes naturais e em condições experimentais nas quais as disponibilidades de nutrientes e de espaço sejam limitadas. 3 . 3ª ed. Após um determinado período de crescimento exponencial. A duração dessa fase depende das condições ambientais nas quais as células se encontravam anteriormente. Essas quatro fases estão representadas na Figura 3. dependendo do ponto no qual o processo do crescimento seja interrompido pelo experimentador. A duração da fase estacionária depende do balanço entre a taxa de divisão celular e o número de células que vão se tornando inviáveis (morte celular ou incapacidade de se dividir) devido às condições ambientais tornarem-se progressivamente desfavoráveis. o que mantém constante o número de células viáveis na população. Pelczar MJ et al. Fases do crescimento bacteriano A curva de crescimento da Figura 3 representa as quatro fases do crescimento populacional bacteriano em uma situação próxima da real quando uma população de bactérias cresce em um ambiente fechado (modelo baseado no cultivo da bactéria E. Adaptive changes in membrane lipids of barophilic bacteria in response to changes in growth pressure. A fase lag será tão mais longa quanto maiores as diferenças de composição do ambiente anterior ou se a população for constituído de bactérias esporuladas. mas parte das células torna-se inviável e a taxa de divisão celular é muito próxima da taxa de morte celular. Nesta fase muitas células assumem formas incomuns. etc.Fase lag Fase de adaptação metabólica ao novo ambiente. Makron Books. SP. 4ª ed. o metabolismo celular está direcionado para sintetizar as enzimas requeridas para o crescimento nas novas condições ambientais encontradas pelas células. 1999. Esta taxa de crescimento não pode ser mantida indefinidamente em um sistema fechado.Fase estacionária Fase em que a taxa de crescimento diminui significativamente devido às condições limitantes do meio. 1997. provocando um declínio do número de células viáveis na população até o ponto em que esta se extinga completamente (Figura 2). Quaisquer uma dessas situações. A curva de crescimento atinge um platô. RJ. quando se inocula uma população bacteriana em um frasco contendo uma quantidade inalterável de meio de cultura (sistema fechado). A duração desta fase é variável dependendo tanto das características genéticas da bactéria quanto das condições ambientais. 4 . elementos-traço). Trabulsi LR et al. 1. Em condições experimentais. Em bactérias formadoras de esporos sobrevivem mais esporos que células vegetativas. Atheneu.Vol. a taxa de morte celular torna-se maior que a taxa de divisão e o número de células viáveis decresce exponencialmente até a completa extinção da população. o crescimento dessa população passa por quatro fases características. 2002.Fase exponencial Fase na qual o número de células da população dobra a cada geração. À medida que a disponibilidade de nutrientes diminui as células se tornam menos capazes de gerar ATP e a taxa de crescimento se reduz. as condições ambientais tornam-se desfavoráveis pela escassez de nutrientes essenciais. inibem o crescimento. em um dado momento algum fator se torna desfavorável: um nutriente essencial torna-se escasso (fontes de energia.Guanabara-Koogan. o espaço torna-se limitado. acúmulo de metabólitos tóxicos e limitação de espaço. As células continuam metabolizando e se dividindo. Microbiologia: Conceitos e Aplicações . Nakayama A.Fase de declínio Fase em as células perdem a capacidade de se dividir. 2 . produtos tóxicos do metabolismo acumulam-se em concentrações que inibem a divisão celular. coli em um meio de cultura rico e sob condições aeróbicas).1998. Ishihara K & Saito H.