Capítulo 3. Características del Crecimiento bacteriano La

Capítulo 3. Características del Crecimiento bacteriano
La dispersión tan amplia de los microorganismos en el suelo, aire, agua, sustratos
biológicos naturales y medios artificiales de cultivo, con velocidades de
reproducción y de crecimiento verdaderamente notables, han obligado a investigar
y a aplicar técnicas de manejo y bioseguridad microbiana.
Por lo tanto, el conocimiento de las opciones de control del crecimiento bacteriano
significa identificar los parámetros extrínsecos e intrínsecos que afecten el
metabolismo y el crecimiento microbiano y poderlos aplicar en estrategias y técnicas
que permitan un manejo inocuo e idóneo de las áreas de trabajo.
Las lecciones que se encuentran en este capítulo son:
Lección 11: Metabolismo bacteriano
Lección 12: Crecimiento bacteriano
Lección 13: Fases de crecimiento bacteriano
Lección 14: Factores físicos
Lección 15: Factores químicos
Lección 11: Metabolismo bacteriano
El metabolismo bacteriano se define como la suma de procesos internos, físicos y
químicos, gracias a los cuales sobreviven y conservan las bacterias. Para realizar
dichos procesos, la bacteria requiere de una serie de nutrientes que después de
pasar por su membrana celular se emplean como material sintético, es decir para
producir otras sustancias, o para que la bacteria obtenga la energía necesaria para
su crecimiento, reparación, reproducción o desplazamiento.
Las reacciones específicas metabólicas de las bacterias les permiten, por ejemplo,
vivir de la celulosa, del petróleo o reciclar elementos utilizados previamente por otros
microorganismos. Prácticamente cualquier sustancia terrestre puede servir de
alimento a un microorganismo, sin embargo ningún microorganismo es capaz de
utilizar todos los alimentos presentes en un sustrato o medio de cultivo. Algunos de
estos nutrientes, como por ejemplo los carbohidratos (azúcares), son empleados
por un pequeño grupo de microorganismos, pero otro no usan en absoluto dichas
sustancias.
Las diferencias en la capacidad de empleo de las sustancias alimenticias, constituye
una de las principales bases para la identificación de microorganismos, siendo esto
muy útil en el laboratorio (pruebas bioquímicas). Todas las especies, y en algunos
casos los géneros, se clasifican según los compuestos que utilizan y los productos
que se forman a partir de ellos.
En la figura 20 se observa la organización de los seres vivos, de acuerdo al tipo de
nutrición, que existe en la naturaleza y se hace énfasis en las procariotas.
Seres
Dependien
do de la
Quimiótro
tofos
Fotótrofos
(Lumínica)
Dependien
do de la
Dependien
do de la
Utiliza
compuestos
Utiliza CO2
Quimiohet
Quimioautó
Dependiendo del
aceptor final de
Si es
Bacterias
oxidantes de
hidrógeno,
Utiliza
compuestos
Fotohetero
Bacterias no
sulfurosas
verdes,
Utiliza
Fotoautótr
Organismos
fotosintéticos
oxigénicos
Organismos
fotosintéticos
anoxigénicos
Si no es
Todos
los
animales, la
Fermentació
n:
Utiliza
Cadena de
electrones:
Utiliza
Figura 20. Clasificación de los seres vivos según su tipo de nutrición.
Fuente: Claudia Zambrano
Lección 12: Crecimiento bacteriano
El crecimiento microbiano hace referencia al aumento del número de
microorganismos a lo largo del tiempo y no al aumento de tamaño de un
microorganismo. El aumento del número de microorganismos permite la formación
de colonias o de poblaciones. Es por eso que en microbiología el crecimiento se
estudia por poblaciones y no en microorganismos individuales. Las bacterias se
reproducen generalmente por fisión binaria. El resultado de la fisión binaria son dos
células hijas por cada célula madre, así, una célula se divide en dos, dos en cuatro
y cuatro en ocho y así sucesivamente.
El intervalo de tiempo que transcurre para la formación de dos células a partir de la
célula madre se llama tiempo de generación o tiempo generacional y al igual que la
tasa de crecimiento o cambio en el número de células por unidad de tiempo, varía
en dependencia de las condiciones genéticas de las bacterias y de los factores
nutricionales. Si partimos de una célula al cabo de una generación habrá duplicado
su número y así sucesivamente en cada generación. Como se puede observar el
crecimiento se produce en progresión geométrica y no aritmética (Tabla 3).
Tabla 3. Número de células bacterianas por generación.
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Eugenia Piña
En algunas bacterias como en el caso la E. coli, en condiciones óptimas la
duplicación celular se realiza cada 20 minutos, es así como en 10 horas se habrán
producido 30 generaciones, es decir mil millones de células bacterianas. A partir de
una célula de E. coli, se obtiene al cabo de 10 horas o sea 600 minutos, 600/20=30
generaciones. El número de células entonces sería 230
Aspectos para el cálculo del crecimiento microbiano
Tabla 4. Cálculos del crecimiento bacteriano
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Eugenia Piña
Lección 13: Fases de crecimiento bacteriano
El incremento en el número de las células en una población se denomina
crecimiento exponencial o logarítmico. Si se inoculan unas bacterias en un medio
de cultivo fresco y se cuantifica la población en intervalos de tiempo se puede
obtener una curva que represente el crecimiento bacteriano, como la que se observa
a continuación.
Figura 21. Curva de crecimiento bacteriano donde se relaciona número de células
contra tiempo de generación.
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Eugenia Piña.
La curva de crecimiento de la población tiene cuatro fases (Figura 21):
1) fase lag o fase de latencia es el periodo de adaptación de los
microorganismos a un nuevo ambiente. En este periodo el número de células
no se incrementa, sino que se mantiene constante por un largo período que
puede durar desde 1 hora hasta varios días. En esta fase las células
presentan gran actividad metabólica, que se manifiesta por el aumento del
volumen celular.
2) fase log. o logarítmica o de crecimiento exponencial, durante este periodo las
células se empiezan a dividir en forma constante y la actividad metabólica
(producción de metabolitos, respiración celular, síntesis de proteínas, entre
otros) es máxima, por lo que es la etapa preferida a nivel industrial. El número
de células vivas en reproducción es mucho mayor que las células que
mueren. El tiempo generacional es máximo y constante. Las células
muestran su morfología: color, agrupación, forma, entre otras. En el momento
final de esta fase y como resultado de la alta tasa de reproducción,
comienzan a escasear los nutrientes y el ambiente se torna tóxico por el
exceso de productos de desecho. Es el momento en el cual las células son
más sensibles a los antimicrobianos o a las radiaciones que pueden intervenir
negativamente en su crecimiento. Esta fase se representa por una línea recta
ascendente.
3) fase estacionaria, en este periodo se generan dos factores limitantes del
crecimiento: aporte nutricional y productos tóxicos de desecho. Si la
población no se reproduce ni muere, el número de células permanece
constante y dependerá del balance que logren las células con el medio
ambiente. Es un periodo de equilibrio.
4) fase de muerte o de declive logarítmico, en esta fase las células no se
reproducen, solo mueren y son destruidas por lisis en forma exponencial a
causa del incremento en las cantidades de ácido y otros desechos dañinos
en el ambiente.
Lección 14: Factores Físicos
Dentro del grupo de factores físicos que influyen en el crecimiento bacteriano, se
encuentran: Temperatura, pH y Presión Osmótica.
Temperatura
Es uno de los factores ambientales que más influye en el crecimiento de los
microorganismos. Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de las
reacciones enzimáticas y por consiguiente el metabolismo bacteriano, hasta una
cierta temperatura a la cual las proteínas, DNA y otras macromoléculas son
sensibles y se desnaturalizan. En caso contrario, es decir a temperaturas bajas, se
disminuye la actividad metabólica del microorganismo.
Se puede hablar por consiguiente de una taxonomía microbiana referida a rangos
óptimos de adaptación a la temperatura. Esta clasificación contempla los tres casos
siguientes:
Psicrófilos
Bacterias adaptadas a bajas temperaturas, en
términos generales se maneja un rango de 0°C
a 20°C como límites normales para su
crecimiento.
Mesófilos
Termófilos
Bacterias que viven en temperaturas
moderadas, en un rango de 20°C a 40°C. Los
microorganismos mesófilos, son los más
comunes. Por ejemplo, la temperatura óptima
para la mayoría de las bacterias patógenas se
aproxima a los 37°C.
Bacterias que soportan altas temperaturas,
contemplan como rangos usuales de tolerancia
de 40°C. a 80°C. y por consiguiente sus
endosporas son normalmente resistentes al
calor.
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Eugenia Piña
En el área de alimentos existe una tendencia a clasificar los organismos psicrófilos
como sicrótrofos, refiriéndose a aquellos que crecen a bajas temperaturas y afectan
los alimentos. La refrigeración es el método más común de conservación de
alimentos, pues disminuye la velocidad de reproducción de los microorganismos.
En este caso, las bacterias pueden sobrevivir a bajas temperaturas y permanecer
en estado de latencia pero su número comienza a disminuir. Mientras esto ocurre
pueden degradar lentamente los alimentos y descomponerlos1.
En el caso de los termófilos, otro grupo de interés en el área de alimentos, pueden
formar endosporas que presentan una alta resistencia al calor y pueden sobrevivir
al tratamiento térmico, por ejemplo, el caso de los enlatados. Las elevadas
temperaturas de almacenamiento del enlatado pueden causar la germinación y el
crecimiento de las endosporas sobrevivientes y de este modo afectar el alimento.
pH
En la mayoría de bacterias el pH (acidez o alcalinidad de una solución o medio de
crecimiento) de rango neutro (6,5 a 7,5) es el más adecuado para el crecimiento
bacteriano y muy pocas bacterias soportan pH inferiores a 4.0. Por esta razón el
manejo de la acidez es un recurso para el control microbiológico. Por ejemplo, el
caso de algunos quesos que se preservan del deterioro, por los ácidos producidos
por la fermentación bacteriana.
Una tabla de rangos de tolerancia a la acidez es la siguiente:
1
Tortora, G.J. y col. 2007. Introducción a la microbiología. Edit. Médica Panamericana. 9ª. Edición.
Buenos Aires.p160.
Bacterias
pH
Acidófilas
1,0 a 6,0
Neutrófilas
6,5 a 7,5
Alcalófilas
8,0 a 11,0
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Eugenia Piña
El intervalo óptimo de pH para mohos y levaduras está entre 5,0 y 6,0.
Presión osmótica
Los microorganismos están formados por un 80-90% de agua y por consiguiente
son fácilmente afectados por soluciones hipertónicas o sea con una concentración
de solutos mayor a la de la célula microbiana, razón por la cual esta pierde agua por
el efecto conocido como plasmólisis. Por consiguiente, la adición de sales o de
azúcar, produce una contracción celular que evita el crecimiento bacteriano, un
sistema muy usado en el área de alimentos, como el pescado salado, la miel y la
leche.
Sin embargo existen las bacterias llamadas halófilas extremas que requieren alta
concentración salina para supervivir (alrededor del 30% de sal). Otro grupo es el de
las halófilas facultativas, que no necesitan altas concentraciones salinas pero
pueden soportar concentraciones entre el 2 y 15% de sal. Se comprende entonces
la técnica usada para solidificar los medios de cultivo microbiano con agar, con una
concentración del orden del 1,5%.
Lección 15: Factores químicos
Dentro de los parámetros químicos encontramos los nutrientes (macro y
micronutrientes), el oxígeno y agentes químicos antimicrobianos.
Macronutrientes
Las fuentes de carbono son necesarias para el crecimiento bacteriano ya que este
elemento es una estructura básica en todos los compuestos orgánicos que
constituyen la célula viva. Por consiguiente, los microorganismos obtienen su
carbono a partir de compuestos orgánicos (microorganismos quimioheterótrofos), o
del
bióxido
de
Carbono
(quimioautótrofos
y
fotoautótrofos).
Para el caso del Nitrógeno, los microorganismos lo utilizan principalmente para
formar el grupo amino de los aminoácidos constituyentes de las proteínas. En
algunos casos de simbiosis, el nitrógeno fijado por bacterias se comparte con ciertas
plantas (generalmente leguminosas), lo cual permite aumentar la fertilidad del suelo.
El Azufre se utiliza generalmente para sintetizar aminoácidos y vitaminas como la
timina y la biotina.
El Fósforo se utiliza en síntesis de ácidos nucleicos y de los fosfolípidos de las
membranas celulares.
De manera similar los microorganismos necesitan otros elementos como potasio,
magnesio y calcio necesarios como cofactores de las enzimas.
Micronutrientes
Por otra parte, los microorganismos requieren algunos elementos minerales en
cantidades muy pequeñas, como es el caso del: hierro, cobre, molibdeno y zinc, los
cuales son esenciales como cofactores en la actividad enzimática.
Oxígeno
Los requerimientos de este elemento en los microorganismos varían
considerablemente, lo que permite clasificarlas de acuerdo a sus necesidades o no
del oxígeno:
Aerobios
Anaerobios facultativos
Anaerobios obligados
Microorganismos que utilizan el oxígeno
molecular, con el cual producen más energía a
partir de los nutrientes.
Microorganismos que utilizan el oxígeno
disponible, pero si no lo hay pueden crecer
mediante procesos de fermentación o
respiración anaeróbica.
Microorganismos para los cuales el oxígeno es
tóxico y por consiguiente no lo utilizan.
Anaerobio aerotolerante
Microaerófila
Microorganismos que no pueden utilizar
oxígeno para su crecimiento pero lo toleran
bastante bien.
Microorganismos que crecen solo en
concentraciones de oxígeno menores que las
del aire.
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña
Agentes antimicrobianos que afectan el crecimiento
A partir del descubrimiento de la penicilina se han observado reacciones de
inhibición del crecimiento microbiano, en medios sólidos, por causa de sustancias
producidas por otros microorganismos, sustancias que por tal motivo se llaman
antibióticos. Algo más de la mitad de los antibióticos de amplio uso son producidos
por la bacteria Streptomyces. Otros antibióticos son producidos por bacterias del
género Bacillus y algunos son generados por mohos de los géneros Penicillium y
Cephalosporium. Es necesario diferenciar entre dos conceptos: Los agentes
bactericidas eliminan las bacterias y los agentes bacteriostáticos solo impiden su
crecimiento, contribuyendo a que las propias defensas del huésped destruyan a los
microorganismos patógenos.
Espectro de actividad antimicrobiana
Los antibióticos presentan cierta selectividad sobre los tipos de células microbianas
que pueden afectar, por ejemplo, la penicilina es efectiva contra bacterias Gram
Positivas, pero ataca a pocas bacterias Gram Negativas. Los antibióticos que atacan
a un alto número de Gram Positivas y Gram Negativas se denominan de amplio
espectro y se recurre a ellos cuando no es segura la identidad del patógeno.
Desafortunadamente estos antibióticos destruyen gran parte de la flora normal del
huésped y aquellos microorganismos patógenos que no son destruidos por el
antibiótico pueden atacar más fuertemente al organismo huésped por el
desequilibrio de la flora.
Mecanismo de acción de los antibióticos o agentes antimicrobianos
Los principales mecanismos antibióticos son los siguientes:
• Inhibición de la síntesis de la pared celular. Algunos antibióticos interfieren con las
síntesis del peptidoglucano necesario para la construcción de la pared celular de
bacterias Gram positivas y Gram Negativas. De esta manera, la pared celular de la
bacteria patógena se debilita y no puede crecer normalmente.
• Inhibición de la síntesis de proteínas. Algunos antibióticos como el Cloranfenicol,
la Eritromicina y las Tetraciclinas inhiben la síntesis de proteínas, en ciertos tipos de
ribosomas, de las bacterias patógenas y de esta manera se anula su actividad
fisiológica.
• Alteración de la membrana citoplasmática. Antibióticos como la Polimixina B dañan
la permeabilidad de la membrana citoplasmática y otros fármacos antifúngicos como
la Nistatina, Anfotericina B y Ketoconasol desorganizan la membrana citoplasmática
causando la destrucción celular al liberar el contenido citoplasmático.
• Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos. Este tipo de acción evita el desarrollo
normal del microorganismo, pero tiene un efecto tóxico en el ADN y ARN de los
mamíferos, como es el caso del antivírico Idoxuridina. Son más selectivamente
tóxicos para las bacterias, afectando menos al huésped la Rifampicina y el Ácido
Nalidixico.
• Inhibición de la actividad enzimática. Algunos antibióticos se comportan como
antimetabolitos, que por su parecido al sustrato normal de una enzima necesaria en
la producción de ácido fólico, interfieren con esta síntesis y detienen el crecimiento
del microorganismo. Es el caso de la sulfanilamida. Otros agentes de acción similar
son las sulfotas y el Timetropin.