Tema 12: Creixement poblacional (MB) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2016
Páginas 6
Fecha de subida 10/04/2016
Descargas 52
Subido por

Vista previa del texto

TEMA  12:  Creixement  poblacional   1.  Creixement  exponencial   El   creixement   que   té   una   població   de   microorganismes   és   un   creixement   exponencial,   que   es   pot   representar   en   forma   de   recta   si   utilitzem   escales   logarítmiques   o   semilogarítmiques.   En   l’eix   y   posem   el   logaritme   de   la   concentració  respecte  del  temps  en  l’eix  x.       La  representació  gràfica  ens  permet  estimar  el  temps  de  generació  (g)  o  el  temps   que  triga  la  població  a  duplicar-­se.  A  partir  d’aquesta  dada  i  el  gràfic,  es  poden   calcular   altres   paràmetres   de   creixement.   Amb   el   canvi   de   les   condicions   de   cultiu,   els   pendents   de   les   rectes   varien.   En   definitiva   parlem   dels   paràmetres   mediambientals   (variacions   del   medi)   que   influeixen   en   el   creixement   d’una   població.       1.1  Paràmetres  del  creixement  poblacional   -­Velocitat  instantània  de  creixement:       dN/dt  =  µ  (taxa  específica  de  creixement)*N  (nombre  cèl·lules  instant  t)     -­Nombre  de  cèl·lules  al  temps  t   Nt  =  N0  *  e *t   -­Temps  de  generació   g  =  ln2/µ   -­Nombre  de  generacions     n  =  t/g     1.2  Corba  de  creixement  típica  d’una  població  en  un  cultiu  tancat   Un  cultiu  tancat  és  aquell  que  es  fa  al  laboratori  i  on  no  s’addicionen  ni  es  treuen   nutrients  per  veure  el  que  passa  dintre,  és  el  que  s’anomena  Batch  culture.  Quan   tenim  una  placa  on  ha  crescut  una  espècie,  podem  agafar-­ne  una  certa  quantitat,   incubar-­ho  i  al  cap  d’un  temps  si  hi  creix,  es  tornarà  tèrbol  i  podrem  utilitzar  un   espectrofotòmetre  per  veure  la  quantitat  de  microorganismes  que  tenim.  Podem   observar  diferents  fases  quan  ho  analitzem:     1)   Fase   de   latència   (Lag)   Inicialment   la   terbolesa   no   augmenta,   ja   que   el   microorganisme   s’està   adaptant,   i   analitzant   el   medi   per   saber   que   necessita   sintetitzar.  Això  els  hi  permet  transcriure  essencialment  allò  que  els  hi  cal  i,  per   tant,  estalviar  energia.  Llavors  ja  comença  el  cicle  convencional  cel•lular.     2)  Fase  exponencial  o  logarítimica:  és  la  fase  de  creixement  cel•lular  (que  es  pot   representar  com  una  recta  o  corba).  Les  cèl•lules  es  van  multiplicant  a  la  seva   velocitat  màxima  que  els  hi  permeti  l’ambient.       3)  Fase  estacionaria:  arriba  un  moment  on  la  densitat  òptica  queda  paralitzada,   constant,  ja  que  la  població  deixa  de  créixer.  La  densitat  d’organismes  és  molt   elevada,   i   la   quantitat   de   nutrients   al   medi   és   baixa.   Llavors   redueixen   el   seu   metabolisme,  el  qual  és  exclusivament  de  manteniment.  Fruit  del  creixement  tan   exponencial,  les  cèl•lules  solen  secretar  al  medi  compostos,  alguns  dels  quals   poden   ser   tòxics   i   poden   provocar   la   mort   de   cèl•lules.   La   mort   de   cèl•lules   generen  nutrients  i  aquets  permeten  que  altres  creixin.     µ Això   permet   que   es   creï   un   equilibri   poblacional.   Però   aquesta   energia   de   manteniment  té  un  límit,  i  al  cap  d’unes  hores  les  cèl•lules  no  podran  sobreviure   i  començaran  a  trencar-­se.     4)  Fase  de  mort:  paulatinament  comença  a  disminuir  la  concentració  de  cèl·lules   ja  que  aquestes  van  morint.         Si  paral·lelament  s’obtenen  mostres  de  cèl·lules  a  diferents  instants  de  temps  i   aquestes   es   sembren,   podem   calcular   el   nombre   de   viables   que   es   poden   representar  en  un  gràfic  de  creixement,  el  qual  és  compatible  al  de  l’observació   de  la  terbolesa.  La  única  diferència  entre  ells,  és  el  pendent  de  la  fase  de  mort.   En   el   cas   de   les   viables   únicament   comptem   les   cèl·lules   vives,   i   en   canvi   la   terbolesa  compta  totes  les  cèl·lules  (les  vives  i  les  mortes  que  encara  no  s’han   trencat).       El  recompte  de  viables  es  tracta  d’un  mètode  directe  i  la  mesura  de  la  terbolesa   o  densitat  òptica  és  un  mètode  indirecte.       1.3  Cultiu  continu:  sistema  obert  amb  un  volum  constant   Es  manté  un  ambient  constant  durant  llargs  períodes,  utilitzant  cultius  continus.   Són  sistemes  oberts  en  el  que  el  recipient  del  cultiu  manté  un  volum  constant,  al   que  s’afegeix  contínuament  medi  fresc  a  una  velocitat  constant,  i  s’elimina  medi   utilitzat  amb  cèl·lules  a  la  mateixa  velocitat.  Una  vegada  s’arriba  a  l’equilibri,  el   volum  del  quimiòstat,  el  nombre  de  cèl·lules  en  el  sistema  i  el  estat  metabòlic   d’aquestes  es  mantenen  constants  i  es  diu  que  el  sistema  llavors  està  en  estadi   d’equilibri.   No   només   caldrà   un   medi   líquid,   sinó   que   son   necessaris   gasos   necessaris  per  a  viure.     El  bioreactor  més  utilitzat  per  cultius  continues  és  el  quimiòstat  que  pot  controlar   tant   la   velocitat   de   creixement   com   la   densitat   de   població   de   manera   independent   i   simultània.   Permet   mantenir   una   població   en   una   fase   de   creixement  constant  durant  molt  temps.       Tot  el  que  fa  referencia  l’ús  de  bioreactors  és  per  estudis  o  per  usos  industrials,   com  la  síntesi  o  producció  de  begudes  (cervesa)  o  metabòlits  (antibiòtics).       El  sistema  de  cultiu  continu  no  es  l’únic  que  es  presenta  a  nivell  industrial,  ja  que   també   podem   trobar   cultius   industrials   tancats.   Tots   dos   bioreactors   tenen   la   mesura   necessària   per   allò   que   volem   produir.   L’escalatge   és   quan,   amb   un   bioreactor  petit,  es  donen  les  condicions  que  es  desitjant  per  tal  de  fer  créixer  un   microorganisme  específic.  Després  es  donarà  un  salt  d’alçada  (gran  bioreactor)   i,  això,  serà  difícil,  ja  que  les  situacions  no  seran  les  mateixes  que  en  un  laboratori   (es  més  difícil  de  controlar  tots  els  paràmetres).       1.4  Creixement  en  el  món  real:  bio  pel·lícules  (biofilms)   Un  biofilm  està  format  per  diversos  tipus  de  microorganismes  immersos  en  una   matriu   de   polisacàrids   que   ells   mateixos   han   secretat   i   que   estan   colonitzant   superfícies  biòtiques  (EX:  intestí)  o  abiòtiques  (EX:  vàlvula).       Els  microorganismes  lliures  s’adhereixen  al  sòl  mitjançant  diverses  estructures   de   la   paret   celular   (pili,   proteïnes   de   membrana...)   o   amb   substancies   de   secreció.   Un   cop   adherits   es   produirà   un   senyal   que   farà   que   es   generin   exopolímers  amb  polisacàrids  diversos  els  quals  seran  secretats  a  l’exterior.     Després   les   cèl·lules   proliferaran   i   quedaran   immerses   dins   aquesta   matriu   gelatinosa.   Algunes   poblacions   poden   desenganxar-­se   i   d’altres   queden   allà   retinguts  fins  a  la  seva  degradació.       Aquest   biofilms   són   molt   problemàtics   per   a   nosaltres   des   del   punt   de   vista   mèdic,  ja  que  aquestes  matrius  amb  microorganismes  són  molt  poc  permeables   als   antiobiòtics,   de   manera   que   el   tractament   només   és   eficaç   a   les   zones   superficials   i   és   impossible   arribar   fins   al   focus   d’infecció,   el   qual   anirà   multiplicant-­se.   A   nivell   industrial   també   poden   comportar   problemes,   per   exemple  en  una  fàbrica  d’aigua  mineral.  L’aigua  només  es  pot  netejar  però  no  es   pot  tractar  amb  res  per  a  que  no  sigui  perjudicial,  per  tant,  si  s’hi  formen  en  els   sistemes   d’extracció   biopelcules   anirant   generant   microorganismes   que   es   diluiran   amb   l’aigua   i   malgrat   no   siguin   patògens,   elevades   concentracions   d’aquests  poden  provocar  problemes.       Per   tant   les   biopel·lícules   són   la   manera   natural   dels   microorganismes   de   colonitzar  territoris.       2.  Factors  ambientals  que  afecten  al  creixement   2.1  La  temperatura   La   temperatura   és   el   factor   més   important   que   afecta   al   creixement   i   supervivència  dels  microorganismes.       Cada   espècie   de   bacteri   podem   representar   la   seva   velocitat   de   creixement   envers   la   temperatura,   i   totes   segueixen   una   corba   típica   de   creixement.   En   aquesta  representació  trobem:   -­Temperatura  mínima  per  sota  de  la  qual  no  hi  ha  creixement.     -­Temperatura  òptima  a  la  qual  es  produeix  el  creixement  més  ràpid.     -­Temperatura  màxima:  per  sobre  de  la  qual  no  es  possible  el  creixement.                                     Aquestes  tres  temperatures  són  les  anomenades  temperatures  cardinals,  i  són   característiques  de  cada  espècie  i  medi.  En  funció  de  com  siguin  aquestes  tres   temperatures  podem  classificar  els  microorganismes  en  un  rang  molt  ampli  de   temperatures,  tot  i  que  no  hi  ha  cap  que  pugui  créixer  en  tot  el  rang:       -­Psicotròfils:  amb  temperatures  òptimes  baixes  [4º].  Poden  créixer  a  nivells  baix   0  sempre  i  quan  hi  hagi  disponibilitat  d’aigua  líquida.     -­Mesòfils:  amb  temperatures  òptimes  moderades  [39º]  (EX:  E.  Coli,  humans).     -­Termòfils:  amb  temperatures  òptimes  altes  [60º].   -­Hipertermòfils:  amb  temperatures  òptimes  molt  elevades,  són  típics  d’ambients   extremadament  calents  com  fonts  termals,  guèisers...     -­Hipertermòfils  normals:  temp.  òptima  [88º]   -­Hipertermòfils  extremòfils:  temp.  òptima    [106º]     El  límit  que  es  coneix  de  temperatura  si  parlem  de  temperatures  altes,  el  trobem   en  casos  únicament  de  procariotes,  i  entre  ells  els  que  més  són  els  del  domini   Archaea.  Plantes  i  animals  els  trobaríem  amb  límits  de  40-­50º,  i  algues,  fongs  i   protozous  límits  de  55-­60º.       2.2  El  pH   Cada  microorganisme  té  un  rang  de  pH  dintre  del  qual  es  possible  el  creixement   i  normalment  té  també  un  pH  òptim  definit.  La  majoria  d’ambients  naturals  tenen   un  valor  de  pH  entre  4  i  9,  i  per  això  la  major  part  d’organismes  presenten  pH   òptims  d’aquest  ordre,  només  unes  quantes  espècies  poden  créixer  per  sota  de   3  o  per  sobre  de  9.       El  pH  representa  la  quantitat  de  protons  que  podem  tenir  en  un  medi  determinat.   Podem  ordenar  els  microorganismes  segons  el  pH  on  visquin,  tot  i  així  trobem   que   els   microorganismes   són   capaços   de   viure   en   tota   la   franja   de   pH   però   majoritàriament  en  concentracions  properes  a  pH  neutre.       -­Acidòfils:   creixen   millor   a   pH   baixos/àcids.   El   factor   crític   més   important   pel   caràcter  acidòfil  és  la  estabilitat  de  la  membrana  plasmàtica.  El  procariota  més   acidòfil  és  Picrophilus  oshimae  (arquea),  que  creix  a  un  pH  òptim  de  0,7.  Quan   el  pH  s’eleva  per  sobre  de  4,  les  cèl·lules  es  lisen,  tot  i  això  el  pH  citoplasmàtic   el  manté  a  4,5.       -­Neutres:  al  voltant  de  7,  són  la  major  part  de  organismes,  com  E.  Coli.       -­Alcalòfils:  creixen  millor  amb  un  pH  molt  elevat/bàsic.  En  ambients  molt  bàsics   com  llacs  sòdics  o  sols  rics  en  carbonats.  Alguns  d’aquests  també  són  halòfils   (amants  de  la  sal).     El  pH  òptim  per  al  creixement  d’un  organisme  representa  només  el  pH  del  medi   extracel·lular,   el   pH   del   medi   intracel·lular   s’ha   de   mantindré   pròxim   a   la   neutralitat  per  evitar  la  destrucció  de  les  macromolècules  cel·lulars.             2.3    Efectes  osmòtics   La  disponibilitat  d’aigua  és  un  factor  important  pel  creixement,  que  depèn  de:   -­Contingut  d’aigua  en  el  medi   -­Humitat  o  sequedat  del  medi   -­Concentració  de  soluts  (sals,  sucres...)     La   disponibilitat   de   l’aigua   s’expressa   com   l’activitat   de   l’aigua   (aw)   que   és   el   quocient   entre   la   pressió   de   vapor   de   l’aire   en   equilibri   amb   una   susbtància   o   solució  i  la  pressió  de  vapor  de  l’aigua  pura  a  una  temperatura  donada.     𝑎w=  𝑃𝑠𝑜𝑙/𝑃𝑎𝑖𝑔𝑢𝑎  (el  valor  d’aw  és  entre  0-­1)     L’aigua  es  difon  des  de  regions  d’alta  concentració  d’aigua  i  baixa  concentració   de   soluts,   a   regions   de   menor   concentració   d’aigua   i   major   concentracions   de   soluts  en  el  procés  d’osmosi.       Normalment  el  citoplasma  d’una  cèl·lula  té  una  concentració  de  soluts  major  que   el  medi,  pel  que  l’aigua  tendeix  a  entrar  dins  la  cèl·lula.  En  aquestes  condicions   es  diu  que  existeix  un  balanç  d’aigua  positiu.  Tot  i  això,  quan  una  cèl·lula  està  en   un   medi   de   baixa   activitat   hídrica,   existeix   una   tendència   de   l’aigua   a   sortir   d’aquesta.  Això  pot  presentar  un  greu  problema  si  la  cèl·lula  no  té  medis  per  a   evitar-­ho  perquè  s’acabaria  deshidratant.       En  la  natura  els  efectes  osmòtics  són  notables,  principalment  en  ambients  amb   altes  concentracions  de  sal  com  els  mars.  Segons  la  concentració  de  Na+  que   sigui  òptima  pel  creixement  podem  distingir  entre:     -­  No  halòfils:  són  microorganismes  que  poden  créixer  amb  concentracions  molt   baixes  de  sal,  però  que  al  augmentar  la  concentració  moren  o  es  deshidraten.       -­  Halotolerants:  poden  suportar  concentracions  de  NaCl,  però  la  seva  velocitat   de  creixement  és  baixa,  i  creixen  millor  en  absència  dels  soluts.       -­  Halòfils:  tenen  una  dependència  específica  del  NaCl,  i  necessiten  al  menys  algo   de   NaCl   per   a   poder   créixer.   La   concentració   òptima   varia   segons   el   tipus   d’espècie.  Són  els  que  viuen  al  mar  i  a  mesura  que  augmenta  la  concentració  de   sal  augmenta  la  seva  velocitat  de  creixement,  fins  arribar  a  un  límit.         -­  Halòfils  extrems:  són  capaços  de  créixer  en  ambients  molt  salins.  Requereixen   de  concentracions  molt  elevades  de  NaCl,  com  en  el  mar  mort  o  en  salines.       La   majoria   de   patògens   són   molt   halòfils,   mentre   que   aquells   que   deterioren   aliments   són   no   halòfils,   per   això   molts   productes   es   conserven   amb   concentracions   de   sal   molt   elevades   per   evitar   aquests   microorganismes   que   deterioren  els  aliments.     Els   microorganismes   que   viuen   en   medis   salins   i   amb   baixa   activitat   hídrica   només   pot   obtenir   aigua   de   l’ambient   incrementant   la   concentració   interna   de   soluts.  Aquests  compostos  s’anomenen  soluts  compatibles,  els  quals  són  molt   solubles  en  aigua  (sucres,  alcohols,  aminoàcids...).  Aquests  soluts  es  concentren   dins  la  cèl·lula  per  evitar  la  pèrdua  de  l’aigua  en  ambients  molt  osmòtics.     2.4  L’oxigen   Pels  microorganismes,  l’oxigen  no  és  necessàriament  un  factor  de  creixement,   ja  que  hi  ha  alguns  que  no  el  necessiten  per  viure,  és  més,  en  alguns  l’oxigen   pot   ser   letal.   Els   microorganismes   són   molt   variats   en   quan   a   la   necessitat   o   tolerància  de  l’oxigen:     -­Aerobis   o   aerobis   obligats:   espècies   capaces   de   créixer   a   concentracions   normals   de   oxigen   (del   aire)   i   respiren   oxigen   en   el   seu   metabolisme.   Només   poden  créixer  en  zones  amb  oxigen.    TUB  A     -­Aerobis  facultatius:  són  microorganismes  que  creixen  tant  en  medis  amb  oxigen   o  sense,  tot  i  que  creixen  millor  en  les  zones  amb  oxigen.  TUB  C     -­Microaeròfils:  són  aerobis  que  poden  utilitzar  el  oxigen  només  quan  està  present   a  nivells  més  baixos  que  en  el  aire.  TUB  D     -­Anaerobis  obligats:  són  microorganismes  que  només  poden  créixer  en  zones   sense  oxigen,  ja  que  l’oxigen  li  es  tòxic  (moren  en  presència  d’aquest).  TUB  B     -­Aerotolerants:   són   microorganismes   que   poden   tolerar   l’oxigen   i   créixer   en   presència  d’aquest  o  en  absència  d’aquest,  tot  i  que  no  l’utilitzen.  Creixent  de  la   mateixa  manera  en  llocs  amb  oxigen  o  sense.  TUB  E     Depenent  la  relació  que  tinguin  amb  l’oxigen  podran  viure  en  un  ambient  o  en  un   altre,  i  moltes  vegades  això  ve  determinat  pels  enzims  que  tenen,  o  si  utilitzen  o   no  l’oxigen  en  les  seves  rutes  bioquímiques.  Hi  ha  enzims  que  serveixen  per  la   detoxificació  i  eliminació  de  productes  de  l’oxigen  extremadament  tòxics  (ERO).   Aquests  estan  presents  els  organismes  que  toleren  l’oxigen,  però  els  anaerobis   no  posseeixen  aquests  enzims  i  per  això  els  hi  causa  la  mort:   -­  Superòxid  dismutasa  (SOD)  à  Radical  superòxid  (O2-­)   -­  Catalasa/Peroxidasa  à  Peròxid  d’hidrogen  (H2O2)       Es  pot  fer  un  experiment  senzill  amb   el  qual  s’analitza  els  diferents  patrons   de  creixement  dels  bacteris  en  funció   de   l’oxigen   revelats   a   partir   de   la   posició  de  les  microcolònies  en  tubs   amb   medi   nutritiu   inoculats   amb   microorganismes  amb  una  nansa  de   picadura.   L’oxigen   pot   penetrar   només  una  distància  curta  en  el  tub,   diferenciant  dues  parts  en  aquest:  la   zona  òxica  i  la  zona  anòxica.               [acasals]  Més  apunts  a:  https://unybook.com/perfil/acasals   ...