Já é de comum conhecimento que os microrganismos estão presentes em todos os lugares. Entretanto, isso não significa que as espécies bacterianas podem ser reproduzidas facilmente em qualquer meio em que são inseridas. Na verdade, quando estudamos microbiologia, precisamos entender que existem fatores de crescimento que influenciam diretamente na forma como esses organismos irão se desenvolver e se multiplicar.
Esses fatores necessários para o crescimento microbiano podem ser basicamente divididos em duas categorias principais: os fatores físicos e os fatores químicos.
Os fatores físicos incluem temperatura, pH e pressão osmótica, como visto anteriormente, existem microrganismos que vivem em situações extremas em termos de pH, temperatura e salinidade, porém, essa não é a regra para todos os micróbios existentes.
Já quando falamos sobre os fatores químicos de crescimento, estamos nos referindo às substâncias químicas necessárias para o metabolismo desses organismos, são eles: fontes de carbono, nitrogênio, enxofre, fósforo, oxigênio, elementos traços e fatores orgânicos de crescimento.
Fatores Físicos
Nesta seção, você poderá conhecer um pouco mais acerca dos principais fatores físicos que estão relacionados no processo de crescimento dos microrganismos.
Temperatura
A maioria dos microrganismos cresce bem nas temperaturas ideais para os seres humanos. Isso significa que, em geral, grande parte dos micróbios estudados se desenvolvem em temperaturas de 15 a 40 °C . Contudo, certas bactérias do reino Archaea, por exemplo, são capazes de crescer em extremos de temperatura, o que certamente impediria a sobrevivência da grande maioria dos organismos eucarióticos.
Por isso, é importante entendermos que cada espécie bacteriana cresce a uma temperatura mínima, ótima, também conhecida como temperatura ideal, e temperatura máxima específicas. Dessa forma, a temperatura mínima de crescimento de um microrganismo é a menor temperatura na qual a espécie pode crescer. Nesses casos, é comum que ocorra o crescimento microbiano em taxas reduzidas de velocidade, já que a espécie em questão encontra dificuldade para se desenvolver.
Já a temperatura ótima de crescimento é a temperatura na qual a espécie microbiana apresenta um melhor desenvolvimento, ou seja a condição de temperatura em que ela cresce melhor. Por fim, a temperatura máxima de crescimento é aquela onde, assim como na temperatura mínima, as bactérias crescem em condição limitada.
Quando abordamos sobre as condições de crescimento em termos de temperatura, é importante sabermos que existe uma classificação para os microrganismos com base em sua faixa preferida de temperatura:
1. Os psicrófilos (crescem em baixas temperaturas);
2. Os mesófilos (crescem em temperaturas moderadas);
3. Os termófilos (crescem em altas temperaturas).
Apesar dessa classificação, é importante salientar que a maioria das bactérias cresce em uma faixa limitada de temperatura, sendo que, em geral, existe somente 30ºC de diferença entre a temperatura máxima e a mínima de crescimento para esses indivíduos. Assim, a partir dos conceitos expostos anteriormente, podemos concluir que as bactérias tendem a crescer pouco nas temperaturas extremas inseridas em sua faixa ideal de desenvolvimento.
Quando tentamos entender essa relação de forma gráfica, normalmente a resposta obtida na interpolação do crescimento com a variação da temperatura, é um leve deslocamento do ponto máximo do gráfico para a variação máxima de temperatura. Porém, quando acima dessa temperatura estabelecida, a velocidade de crescimento tende a cair rapidamente, já que estamos excedendo as condições ideais de crescimento.
De acordo com alguns estudiosos da bioquímica e da microbiologia, esse processo de decrescimento acontece provavelmente porque a temperatura elevada induz uma reação de inativação dos sistemas enzimáticos da célula bacteriana.
Apesar desses sistemas de classificação e do estabelecimento das faixas de temperaturas máximas de crescimento que definem as bactérias como psicrófilos, mesófilos ou termófilos, é importante que, como profissionais da microbiologia, sejamos capazes de entender que essas definições não estabelecidas de forma rígida. Por isso, alguns microrganismos podem, por exemplo, crescer a 0°C ainda que não sejam psicotróficos.
O motivo para isso é porque existem dois grupos diferentes capazes de crescer nessa temperatura. O primeiro e mais fácil de ser identificado é o grupo composto somente por psicrófilos. Esses microrganismos podem crescer a 0°C, mas tem uma temperatura ótima de crescimento de cerca de 15°C.
Entretanto, essa faixa de temperatura dos psicrófilos faz com que esses microrganismos apresentem uma alta sensibilidade a temperaturas mais altas, gerando assim uma interrupção no seu crescimento, ainda que eles estejam inseridos em uma temperatura considerada como razoável, por exemplo, à temperatura ambiente (25°C).
É devido à sua alta seletividade de meio que essas bactérias normalmente são encontradas apenas em ambientes extremos, como nas profundezas dos oceanos ou em certas regiões polares. Quando encontrados no nosso dia-a-dia, esses micro-organismos não causam problemas na preservação de alimentos ou de outros compostos orgânicos.
Além dos psicrófilos, existe um outro grupo capaz de se desenvolver em baixas temperaturas, sendo a faixa de temperaturas ótimas de crescimento um pouco mais elevadas que o grupo anterior, chegando de 20 a 30°C. Quando suscetíveis à temperaturas mais altas como 40 a 50°C, já podemos verificar um aumento na taxa de morte bacteriana.
Os organismos desse tipo são mais comuns que os psicrófilos e são os mais prováveis de serem encontrados no nosso dia-a-dia, já que eles conseguem se desenvolver em uma faixa de temperatura que também é confortável para os seres humanos. De acordo com alguns estudos realizados nesse campo, as bactérias que atuam nessa faixa de temperatura estão diretamente ligadas com as questões voltadas para a deterioração de alimentos em baixa temperatura, já que eles conseguem se desenvolver em temperaturas utilizadas em refrigeradores.
Isso pode se tornar um problema para o controle de qualidade de alimentos, já que, de maneira geral, a forma mais comum de conservação utilizada atualmente está no armazenamento em refrigeradores.Em geral esse método é aplicado pois tem como base o princípio de que, na maioria das vezes, as velocidades de reprodução microbiana decrescem em baixas temperaturas.
Assim, como a temperatura dentro de um refrigerador bem ajustado é capaz de retardar de forma efetiva o crescimento da maioria dos organismos deteriorantes, a utilização da refrigeração consegue então impedir que a maior parte das bactérias patogênicas se desenvolvam nos alimentos.
Entretanto, como dito anteriormente, existem microrganismos que conseguem sobreviver nessas condições ambientais (próximas do congelamento), ainda que fiquem totalmente dormentes.
Dessa forma, ainda que os psicrotróficos não cresçam bem em temperaturas baixas, exceto quando comparados com outros micro-organismos, em um determinado período, eles são capazes de deteriorar lentamente o alimento, prejudicando assim no seu processo de conservação.
Além disso, a depender de onde esse alimento está inserido, essa deterioração pode tomar a forma de micélio fúngico, formando uma espécie de limo na superfície do alimento ou ainda, o mais facilmente identificado, são a ocorrência de alterações de sabor ou cor nesses alimentos.
PH
Quando falamos de pH, estamos nos referindo à uma escala numérica adimensional utilizada para especificar a acidez ou basicidade de uma solução aquosa. Mais especificamente, a capacidade que um meio possui de liberar íons de hidrogênio em seu meio.
A maioria dos microrganismos estudados para fins comerciais ou medicinais, como as bactérias, tendem a crescer melhor em uma faixa estreita de pH que está mais próxima da neutralidade, ou seja, entre pH 6,5 e 7,5.
Entretanto, existem algumas bactérias que são capazes de se desenvolver em um pH ácido abaixo de 4, elas são chamadas de acidófilas, pois apresentam como característica a resistência à deterioração ou morte celular derivada da acidez.
Um exemplo clássico desse tipo de microrganismo está em uma bactéria quimioautotrófica, encontrada na água de drenagem das minas de carvão e que oxida enxofre para formar ácido sulfúrico. Como consequência do seu próprio metabolismo, essas bactérias podem sobreviver em pH 1.
Essas bactérias são uma minoria dentre a população de microrganismos presentes, logo, muitos alimentos como o chucrute, os picles e muitos queijos são protegidos da deterioração pelos ácidos, geralmente produzidos nas reações de fermentação bacteriana.
Os fungos e as leveduras crescem em uma faixa maior de pH que as bactérias, se desenvolvendo inclusive meios mais básicos. Mas o pH ótimo dos fungos e das leveduras geralmente é menor que o bacteriano, entre pH 5 e 6. Isso nos mostra que, apesar da sua preferência, os fungos e leveduras possuem uma faixa de pH para crescimento mais abrangente.
Além disso, também precisamos entender que a alcalinidade também pode gerar um processo de interrupção para o desenvolvimento microbiano, porém, em termos de conservação de alimentos e bebidas, esse fator não é muito utilizado.
Quando bactérias são cultivadas no laboratório, o seu meio de crescimento deve ser corrigido para que os microrganismos de interesse possam apresentar a melhor condição para a sua multiplicação.
Entretanto, é comum que esses micróbios produzam ácidos em seu processo metabólico que podem interferir diretamente no seu crescimento, já que eles alteram o pH do meio em que estão inseridos.
Dessa forma, cabe ao microbiologista buscar formas de neutralizar os ácidos formados pelas bactérias e manter o pH apropriado para o seu desenvolvimento. Para isso, é comum que sejam aplicados tampões químicos no meio de cultura, como por exemplo, as
peptonas e os aminoácidos.
Além disso, a depender do meio preparado para inocular o microrganismo, é possível que, na sua composição, possa existir uma substância chamada de sal de fosfato. Os sais de fosfato têm como benefício a capacidade de proporcionar o efeito de tampão na faixa de pH de crescimento da maioria das bactérias, permitindo assim uma melhor efetividade no processo de cultura.
Outro ponto importante é que esses compostos não apresentam toxicidade para os microrganismos ou para o manipulador, além de liberar fósforo, um nutriente essencial para o metabolismo das bactérias.
Pressão Osmótica
O último fator de crescimento físico abordado neste módulo está relacionado à pressão osmótica do meio. De maneira geral, a grande maioria dos micro-organismos obtêm os seus nutrientes a partir da água presente no seu meio de crescimento. Dessa forma, podemos entender que, um dos fatores mais importantes para a proliferação de bactérias é a presença de água.
Isso acontece pois a composição dos microrganismos é feita basicamente de água, dessa forma, esse composto pode chegar a apresentar 80 a 90% de todo o seu peso. Entretanto, quando o microrganismo está inserido em um ambiente com alta pressão osmótica, acaba existindo uma defasagem no processo de obtenção hídrica e, como consequência, na aquisição de nutrientes.
O motivo para essa defasagem está na atuação da pressão osmótica ao remover a água necessária para a célula. Por isso, quando um microrganismo está em uma solução em que a concentração de solutos é mais elevada do que no interior da célula, o ambiente acaba ganhando uma característica hipertônica.
Como consequência dessa diferença de pressão, a água presente no interior da célula microbiana vai atravessar a membrana celular para o meio com a concentração mais elevada de soluto, visando estabelecer uma relação de equilíbrio.
Como a composição das células microbianas é feita de 80 a 90% de água, a perda gerada pela pressão osmótica, vai acabar gerando um processo de plasmólise, ou também conhecido como encolhimento do citoplasma celular.
Apesar de parecer um processo simples, esse fenômeno frente à pressão osmótica apresenta uma importante condição para o crescimento de células microbianas. Isso acontece pois, já foi possível perceber que é possível inibir o desenvolvimento dessas células ao gerar uma diferença de concentração de solutos entre o meio e o interior da célula.
Do ponto de vista prático, isso pode ser utilizado (a adição de sais ou outros solutos) em uma solução tanto de forma comercial, para a preservação de alimentos, quanto do ponto de vista farmacológico no desenvolvimento de terapias capazes de prevenir infecções. Isso apenas é possível devido ao fenômeno da pressão osmótica.
É por esse motivo que, alimentos como peixes salgados, do tipo bacalhau, mel e leite condensado são preservados por um longo período nas prateleiras. Os métodos de conservação utilizados nesses alimentos têm como base as concentrações elevadas de sal ou açúcar, induzindo assim a remoção de água fora de qualquer célula microbiana presente e consequentemente impedindo que esses microrganismos se reproduzam.
Por Que a Pressão Osmótica Exerce Efeito no Crescimento Microbiano?
De maneira geral, essa reação existente nas células bacterianas estão em parte relacionados com o número de moléculas e íons dissolvidos em um volume de solução. Entretanto, assim como existem exceções para as condições de temperatura e pH, em termos de questão osmótica também existem microrganismos que conseguem se reproduzir em meios com alta concentração de solutos.
Esses microrganismos também são conhecidos de halófilos extremos. Eles são tão adaptados a concentrações elevadas de sais que acabam de fato necessitando da presença desses solutos para conseguir metabolizar os nutrientes necessários para a sua sobrevivência.
Nesse caso, onde existe a obrigatoriedade da presença de sais, esses microrganismos são considerados como halófilos obrigatórios. Eles podem ser encontrados em ambientes com elevado teor de sais, como por exemplo, os organismos de águas salinas do Mar Morto.
As bactérias presentes nesses locais requerem frequentemente cerca de 30% de sal, e a alça de inoculação (equipamento usado no laboratório para manipulação de bactérias) utilizada para transferência deve ser mergulhada em uma solução saturada de sal para que os organismos não sejam mortos no processo de transferência.
Apesar dessa exceção, a maior porcentagem de microrganismos halófilos têm a característica de serem facultativos, ou seja, que não requerem concentrações elevadas de sal, mas são capazes de crescer em concentrações de até 2% do soluto presente. Essa condição permite a inibição do crescimento de muitos organismos. De acordo com Totora, existem algumas espécies de halófilos facultativos que podem tolerar até 15% de sal presente nos meios de crescimento.
Entretanto, a grande maioria dos microrganismos de interesse para o campo acadêmico ou medicinal devem ser cultivados em meio constituído quase que somente de água.
Dessa forma, a concentração de ágar (polissacarídeo complexo isolado de uma alga marinha, utilizado para meios de cultura) utilizada para solidificar os meios de cultura normalmente é de cerca de 1,5%. Se concentrações bem mais altas são utilizadas, a pressão osmótica aumentada pode inibir o crescimento de algumas bactérias.
Fatores Químicos
Assim como existem fatores físicos que implicam no desenvolvimento do crescimento microbiano, também existem fatores químicos nutricionais que impactam diretamente nesse processo de multiplicação.
De maneira geral, sabemos que todos os organismos vivos, sejam eles plantas, animais ou microrganismos, compartilham algumas necessidades nutricionais em comum, como por exemplo a necessidade de carbono, nitrogênio ou espécies nitrogenadas, enxofre, fósforo, vitaminas e água.
Como explicamos no capítulo anterior, a água é um dos compostos mais importantes para a sobrevivência dos microrganismos, já que, em termos genéricos, a maioria deles só conseguem absorver os nutrientes necessários para o seu desenvolvimento apenas quando estes nutrientes químicos estão dissolvidos em água.
É importante salientar que, apesar da semelhança entre diferentes gêneros e espécies de microrganismos, essas exigências químicas (fatores nutricionais), juntamente com a caracterização das condições físicas (pH, temperatura, atmosfera, pressão osmótica e pressão hidrostática) são particulares para cada microrganismo.
Dessa forma, quando pensamos em estimular o crescimento de uma espécie microbiana, devemos ser capazes de fornecer a ela as condições ideais para o seu desenvolvimento no meio de cultura.
Em termos químicos, os nutrientes requeridos em grandes quantidades são denominados macronutrientes, enquanto, outros são necessários em pequenas quantidades são considerados micronutrientes. Todos eles possuem o seu papel no equilíbrio do metabolismo celular.
Carbono
Assim como os microrganismos podem ser distinguidos em relação à capacidade de crescimento em diferentes temperaturas, condições de pH e pressão osmótica, os micróbios também podem ser classificados em relação à como eles processam fonte de energia e carbono.
O carbono é uma espécie química necessária para a maioria dos organismos vivos, devido ao seu papel constituinte na estrutura celular e no metabolismo de energia para o crescimento das células. De acordo com os especialistas em microbiologia, a forma como um microrganismo processa as fontes de carbono, permite a sua classificação em dois grupos distintos:
Os microrganismos que utilizam o dióxido de carbono, que nada mais é que a forma mais oxidada da espécie química como sua principal ou até mesmo única fonte de carbono. Esses microrganismos são chamados autotróficos.
E ainda existem aqueles que são incapazes de utilizar o dióxido de carbono (CO2) como sua principal fonte de carbono, por isso, eles necessitam absorver compostos orgânicos para que possam suprir a sua demanda por carbono. Eles compõem a maioria dos microrganismos e são denominados heterotróficos.
Nitrogênio
Além do carbono, os microrganismos requerem outros nutrientes para que as células consigam adquirir energia e realizar todos os seus ciclos metabólicos de acordo com a sua necessidade de processamento. Estes nutrientes são requeridos pelas células de diversos
organismos em diferentes quantidades e formas de absorção.
Um dos macronutrientes mais importantes para a célula microbiana é o nitrogênio. De maneira geral, podemos caracterizar o nitrogênio como um macronutriente necessário para a síntese de enzimas, bem como de outras proteínas e ácidos nucléicos presentes nas células.
O nitrogênio pode ser obtido tanto em sua forma orgânica, como através da sua forma inorgânica, entretanto, para o desenvolvimento de espécies bacterianas, essa diferenciação não costuma fazer muita diferença, já que elas são versáteis na utilização do nitrogênio e utilizam-no em ambas as formas.
As maiores fontes inorgânicas de nitrogênio presentes para processamento metabólico são o nitrato (NO3-), amônia (NH3) e nitrogênio (N2). Enquanto isso, as fontes orgânicas de nitrogênio incluem compostos derivados de organismos vivos, como os aminoácidos, as purinas e as pirimidinas.
Entretanto, é importante ressaltarmos que os compostos nitrogenados orgânicos, não são usados somente como fonte de nitrogênio para síntese de novas moléculas, como também podem atuar como fonte de energia. Dessa forma, diferente das células eucarióticas, é possível identificarmos algumas bactérias que conseguem utilizar nitrogênio gasoso ou atmosférico para a síntese celular por meio do processo de fixação de nitrogênio.
Apesar das espécies químicas de carbono e nitrogênio serem extremamente importantes na questão do metabolismo celular, os microrganismos também necessitam do suprimento de outros macronutrientes, como, por exemplo, o enxofre e fósforo para estabelecer um equilíbrio nos ciclos metabólicos e na manutenção dos componentes da célula.
Fósforo
O fósforo é um dos elementos que compõem o grupo de macronutrientes necessários para o desenvolvimento microbiano. Ele é comumente encontrado nos ácidos nucléicos, ATP, membranas fosfolipídicas, coenzimas e em outros compostos intermediários que estão diretamente associados com o metabolismo e armazenamento de energia.
Diferente do exemplo anterior, os microrganismos apenas conseguem realizar a obtenção do fósforo a partir de fontes inorgânicas, principalmente, a partir de íons de fosfato inorgânico (PO4 3-).
Esse composto é comumente utilizado pela célula bacteriana de forma direta, enquanto que, as fontes de compostos de fosfato orgânico exigem que essas substâncias sejam primeiramente hidrolisadas em ésteres por enzimas denominadas fosfatases e, osteriormente, incorporado às biomoléculas para uso no metabolismo celular.
Enxofre
Quando falamos sobre os fatores de crescimento químicos, é comum que as pessoas esqueçam do enxofre. Entretanto, assim como o nitrogênio e o carbono, o enxofre e seus compostos derivados são utilizados para síntese de proteínas, coenzimas e outros componentes celulares importantes para a sobrevivência das células.
A maior parte do enxofre utilizado pelas células é de fonte inorgânica, obtido a partir do sulfato ou sulfeto. Isso acontece porque alguns microrganismos utilizam esse elemento químico para conseguir processar espécies de aminoácidos que contém enxofre. Dessa forma, o enxofre inorgânico é necessário para a biossíntese dos aminoácidos cisteína e metionina, de vitaminas, como, por exemplo, a tiamina e biotina, e da coenzima A.
Micronutrientes
Como dito anteriormente ainda neste capítulo, assim como os macronutrientes, existem ainda outros compostos que são necessários para o desenvolvimento celular, e que impactam diretamente na biossíntese de novas moléculas através do aparato microbiano.
Podemos citar como exemplo desses micronutrientes o potássio (K) que é o principal elemento que atua como cátion e cofator para o processamento de enzimas; o magnésio (Mg), o qual é importante que atua promovendo estabilidade dos ribossomos, membranas, e ácidos nucléicos, influenciando ainda na síntese de clorofila e cofatores para ligação enzimática; o cálcio (Ca) que é necessário principalmente nas bactérias Gram-positivas para a síntese da parede celular e pelos organismos que formam esporos para a síntese destas estruturas; o sódio (Na) que é requerido para possibilitar uma maior efetividade no carreamento de açúcar melibiose em células de Escherichia coli, através do seu papel na enzima permease.
Outros elementos essenciais para todos os organismos são o hidrogênio e o oxigênio, já que ambos participam da síntese de novos compostos e do próprio processamento energético da célula.
Este artigo pertence ao Curso de Microbiologia I - Bacteriologia
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