9.2: Requisitos de oxígeno para el crecimiento microbiano

Objetivos de aprendizaje

• Interpretar datos visuales que demuestren los requisitos mínimos, óptimos y máximos de oxígeno o dióxido de carbono para el crecimiento
• Identificar y describir diferentes categorías de microbios con requerimientos de crecimiento con o sin oxígeno: aerobio obligado, anaerobio obligado, anaerobio facultativo, anaerobio aerotolerante, microaerófilo y capnófilo
• Dar ejemplos de microorganismos para cada categoría de requerimientos de crecimiento

Pregunta a la mayoría de la gente “¿Cuáles son los mayores requisitos para la vida?” y es probable que las respuestas incluyan agua y oxígeno. Pocos discutirían sobre la necesidad de agua, pero ¿qué pasa con el oxígeno? ¿Puede haber vida sin oxígeno?

La respuesta es que el oxígeno molecular (O ₂) no siempre es necesario. Los primeros signos de vida datan de un período en el que las condiciones en la tierra fueron muy reductoras y el gas de oxígeno libre era esencialmente inexistente. Solo después de que las cianobacterias comenzaron a liberar oxígeno como subproducto de la fotosíntesis y se agotó la capacidad del hierro en los océanos para absorber oxígeno, los niveles de oxígeno aumentaron en la atmósfera. Este evento, a menudo referido como el Gran Evento de Oxigenación o la Revolución del Oxígeno, provocó una extinción masiva. La mayoría de los organismos no pudieron sobrevivir a las poderosas propiedades oxidativas de especies reactivas de oxígeno (ROS), iones altamente inestables y moléculas derivadas de la reducción parcial del oxígeno que pueden dañar prácticamente cualquier macromolécula o estructura con la que entren en contacto. El oxígeno singlete (O ₂ •), el superóxido\((\ce{O2-})\), los peróxidos (H _{2 O 2}), el radical hidroxilo (OH•) y el ion hipoclorito (OCl ⁻), el ingrediente activo del blanqueador doméstico, son ejemplos de ROS. Los organismos que pudieron desintoxicar especies reactivas de oxígeno aprovecharon la alta electronegatividad del oxígeno para producir energía libre para su metabolismo y prosperaron en el nuevo ambiente.

Requerimientos de oxígeno de microorganismos

Muchos ecosistemas aún están libres de oxígeno molecular. Algunos se encuentran en lugares extremos, como en lo profundo del océano o en la corteza terrestre; otros son parte de nuestro paisaje cotidiano, como marismas, pantanos y alcantarillas. Dentro de los cuerpos de humanos y otros animales, las regiones con poco o ningún oxígeno proporcionan un ambiente anaeróbico para los microorganismos. (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Los ambientes anaeróbicos siguen siendo comunes en la tierra. Incluyen ambientes como (a) un pantano donde los sedimentos densos no perturbados están prácticamente desprovistos de oxígeno, y (b) el rumen (el primer compartimento del estómago de una vaca), que proporciona una incubadora libre de oxígeno para metanógenos y otras bacterias anaerobias obligadas. (crédito a: modificación de obra por el Servicio de Parques Nacionales; crédito b: modificación de obra por parte del Departamento de Agricultura de Estados Unidos)

Podemos observar fácilmente diferentes requerimientos de oxígeno molecular mediante el cultivo de bacterias en cultivos de tubo de tioglicolato. Un cultivo en tubo de ensayo comienza con medio tioglicolato autoclavado que contiene un bajo porcentaje de agar para permitir que las bacterias móviles se muevan por todo el medio. El tioglicolato tiene fuertes propiedades reductoras y el autoclave elimina la mayor parte del oxígeno. Los tubos se inoculan con los cultivos bacterianos a ensayar y se incuban a una temperatura apropiada. Con el tiempo, el oxígeno se difunde lentamente por todo el cultivo del tubo de tioglicolato desde la parte superior. La densidad bacteriana aumenta en el área donde la concentración de oxígeno es la más adecuada para el crecimiento de ese organismo en particular.

El crecimiento de bacterias con requerimientos variables de oxígeno en tubos de tioglicolato se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\). En el tubo A, todo el crecimiento se ve en la parte superior del tubo. Las bacterias son aerobios obligados (estrictos) que no pueden crecer sin un aporte abundante de oxígeno. El tubo B se ve como lo opuesto al tubo A. Las bacterias crecen en el fondo del tubo B. Esos son anaerobios obligados, los cuales son destruidos por el oxígeno. El tubo C muestra un fuerte crecimiento en la parte superior del tubo y crecimiento a lo largo del tubo, un resultado típico con anaerobios facultativos. Los anaerobios facultativos son organismos que prosperan en presencia de oxígeno pero que también crecen en su ausencia al depender de la fermentación o respiración anaeróbica, si existe un aceptor de electrones adecuado distinto al oxígeno y el organismo es capaz de realizar respiración anaeróbica. Los anaerobios aerotolerantes en el tubo D son indiferentes a la presencia de oxígeno. No usan oxígeno porque suelen tener un metabolismo fermentativo, pero no se ven perjudicados por la presencia de oxígeno como lo son los anaerobios obligados. El tubo E de la derecha muestra una cultura de “Ricitos de Oro”. El nivel de oxígeno tiene que ser justo para el crecimiento, no demasiado y no muy poco. Estos microaerófilos son bacterias que requieren un nivel mínimo de oxígeno para su crecimiento, alrededor de 1% — 10%, muy por debajo del 21% que se encuentra en la atmósfera.

Ejemplos de aerobios obligados son Mycobacterium tuberculosis, el agente causante de la tuberculosis y Micrococcus luteus, una bacteria grampositiva que coloniza la piel. Neisseria meningitidis, el agente causante de la meningitis bacteriana grave, y N. gonorrheae, el agente causante de la gonorrea de transmisión sexual, también son aerobios obligados.

Figura\(\PageIndex{2}\): Diagrama de distribución celular bacteriana en tubos de tioglicolato.

Muchos anaerobios obligados se encuentran en el ambiente donde existen condiciones anaeróbicas, como en sedimentos profundos del suelo, aguas tranquilas, y en el fondo del océano profundo donde no hay vida fotosintética. Las condiciones anaeróbicas también existen de forma natural en el tracto intestinal de los animales. Los anaerobios obligados, principalmente Bacteroidetes, representan una gran fracción de los microbios en el intestino humano. Las condiciones anaeróbicas transitorias existen cuando los tejidos no reciben circulación sanguínea; mueren y se convierten en un caldo de cultivo ideal para los anaerobios obligados. Otro tipo de anaerobio obligado que se encuentra en el cuerpo humano es el Gram-positivo, en forma de varilla Clostridium spp. Su capacidad para formar endosporas les permite sobrevivir en presencia de oxígeno. Una de las principales causas de infecciones adquiridas por la salud es C. difficile, conocida como C. diff. El uso prolongado de antibióticos para otras infecciones aumenta la probabilidad de que un paciente desarrolle una infección secundaria por C. difficile. El tratamiento antibiótico altera el equilibrio de microorganismos en el intestino y permite la colonización del intestino por C. difficile, provocando una inflamación significativa del colon.

Otros clostridios responsables de infecciones graves incluyen C. tetani, el agente del tétanos, y C. perfringens, que causa gangrena gaseosa. En ambos casos, la infección comienza en el tejido necrótico (tejido muerto al que no se le suministra oxígeno por la circulación sanguínea). Esta es la razón por la que las heridas punzantes profundas se asocian con el tétanos. Cuando la muerte del tejido va acompañada de falta de circulación, la gangrena es siempre un peligro.

El estudio de anaerobios obligados requiere equipo especial. Las bacterias anaerobias obligadas deben cultivarse en condiciones desprovistas de oxígeno. El enfoque más común es el cultivo en una jarra anaeróbica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Los frascos anaeróbicos incluyen paquetes químicos que eliminan el oxígeno y liberan dióxido de carbono (CO ₂). Una cámara anaeróbica es una caja cerrada de la que se elimina todo el oxígeno. Los guantes sellados a las aberturas en la caja permiten el manejo de los cultivos sin exponer el cultivo al aire (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): (a) Se representa una jarra anaeróbica que sostiene nueve placas de Petri que soportan cultivos. (b) Las aberturas en el costado de una caja anaeróbica están selladas por manguitos similares a guantes que permiten el manejo de cultivos dentro de la caja. (crédito a: modificación del trabajo por parte de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades; crédito b: modificación del trabajo por parte del NIST)

Staphylococci y Enterobacteriaceae son ejemplos de anaerobios facultativos. Los estafilococos se encuentran en la piel y las vías respiratorias superiores. Las enterobacteriáceas se encuentran principalmente en el intestino y las vías respiratorias superiores, pero a veces se pueden diseminar al tracto urinario, donde son capaces de causar infecciones. No es raro ver infecciones bacterianas mixtas en las que los anaerobios facultativos agotan el oxígeno, creando un ambiente para que florezcan los anaerobios obligados.

Ejemplos de anaerobios aerotolerantes incluyen lactobacilos y estreptococos, ambos encontrados en la microbiota oral. Campylobacter jejuni, que causa infecciones gastrointestinales, es un ejemplo de microaerófilo y se cultiva en condiciones de bajo oxígeno.

La concentración óptima de oxígeno, como su nombre lo indica, es la concentración ideal de oxígeno para un microorganismo en particular. La concentración más baja de oxígeno que permite el crecimiento se llama la concentración mínima permisiva de oxígeno. La mayor concentración tolerada de oxígeno es la concentración máxima permisiva de oxígeno. El organismo no crecerá fuera del rango de niveles de oxígeno encontrados entre las concentraciones mínimas y máximas permisivas de oxígeno.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

1. ¿Esperarías que los linajes bacterianos más antiguos sean aeróbicos o anaeróbicos?
2. ¿Qué bacterias crecen en la parte superior de un tubo de tioglicolato y cuáles crecen en la parte inferior del tubo?

Un Anaerobe no bienvenido

Charles es un conductor de autobús retirado que desarrolló diabetes tipo 2 hace más de 10 años. Desde su retiro, su estilo de vida se ha vuelto muy sedentario y ha engordado una cantidad sustancial de peso. A pesar de que ha sentido hormigueo y entumecimiento en su pie izquierdo por un tiempo, no se ha preocupado porque pensó que su pie simplemente se estaba “quedando dormido”. Recientemente, un rasguño en su pie no parece estar curando y se está volviendo cada vez más feo. Debido a que la llaga no le molestó mucho, Charles pensó que no podía ser grave hasta que su hija notó una decoloración violácea extendiéndose sobre la piel y supurando (Figura\(\PageIndex{4}\)). Cuando finalmente fue visto por su médico, Charles fue trasladado de urgencia al quirófano. Su llaga abierta, o úlcera, es el resultado de un pie diabético.

La preocupación aquí es que la gangrena gaseosa pudo haberse afianzado en el tejido muerto. El agente más probable de la gangrena gaseosa es Clostridium perfringens, una bacteria grampositiva formadora de endosporas. Es un anaerobio obligado que crece en tejido desprovisto de oxígeno. Dado que el tejido muerto ya no es suministrado con oxígeno por el sistema circulatorio, el tejido muerto proporciona bolsas de ambiente ideal para el crecimiento de C. perfringens.

Un cirujano examina la úlcera y las radiografías del pie de Carlos y determina que el hueso aún no está infectado. La herida tendrá que ser desbridada quirúrgicamente (el desbridamiento se refiere a la extracción de tejido muerto e infectado) y enviar una muestra para análisis microbiológicos de laboratorio, pero Charles no tendrá que amputarle el pie. Muchos pacientes diabéticos no tienen tanta suerte. En 2008, cerca de 70 mil pacientes diabéticos en Estados Unidos perdieron un pie o una extremidad por amputación, según estadísticas de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades.

Figura\(\PageIndex{4}\): Esta foto clínica muestra úlceras en el pie de un paciente diabético. El tejido muerto que se acumula en las úlceras puede proporcionar un ambiente de crecimiento ideal para el anaerobio C. perfringens, un agente causante de la gangrena gaseosa. (crédito: Shigeo Kono, Reiko Nakagawachi, Jun Arata, Benjamin A Lipsky)

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Qué condiciones de crecimiento recomendarías para la detección de C. perfringens?

Desintoxicación de especies reactivas de oxígeno

La respiración aeróbica genera constantemente especies reactivas de oxígeno (ROS), subproductos que deben ser desintoxicados. Incluso los organismos que no utilizan respiración aeróbica necesitan alguna manera de descomponer algunas de las ROS que se pueden formar a partir del oxígeno atmosférico. Tres enzimas principales descomponen esos subproductos tóxicos: superóxido dismutasa, peroxidasa y catalasa. Cada uno cataliza una reacción diferente. Las reacciones de tipo observadas en la Reacción 1 son catalizadas por peroxidasas.

\[\mathrm{X-(2H^+)+H_2O_2 \rightarrow \text{oxidized-}X+2H_2O}\]

En estas reacciones, un donador de electrones (compuesto reducido; e.g., nicotinamida adenina dinucleótido reducido [NADH]) oxida el peróxido de hidrógeno, u otros peróxidos, al agua. Las enzimas juegan un papel importante al limitar el daño causado por la peroxidación de los lípidos de membrana. La reacción 2 está mediada por la enzima superóxido dismutasa (SOD) y descompone los poderosos aniones superóxido generados por el metabolismo aeróbico:

\[\mathrm{2O_2^- + 2H^+ \rightarrow H_2O_2+O_2}\]

La enzima catalasa convierte el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno como se muestra en la Reacción 3.

\[\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O+O_2}\]

Los anaerobios obligados suelen carecer de las tres enzimas. Los anaerobios aerotolerantes tienen SOD pero no catalasa. La reacción 3, que se muestra ocurriendo en la Figura\(\PageIndex{5}\), es la base de una prueba útil y rápida para distinguir los estreptococos, que son aerotolerantes y no poseen catalasa, de los estafilococos, que son anaerobios facultativos. Una muestra de cultivo rápidamente mezclada en una gota de peróxido de hidrógeno al 3% liberará burbujas si el cultivo es positivo para catalasa.

Figura\(\PageIndex{5}\): La prueba de catalasa detecta la presencia de la enzima catalasa al anotar si se liberan burbujas cuando se agrega peróxido de hidrógeno a una muestra de cultivo. Comparar el resultado positivo (derecha) con el resultado negativo (izquierda). (crédito: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)

Las bacterias que crecen mejor en una mayor concentración de CO ₂ y una menor concentración de oxígeno que la presente en la atmósfera se denominan capnófilos. Un enfoque común para cultivar capnófilos es usar un tarro de vela. Un frasco de vela consiste en un frasco con una tapa hermética que puede acomodar los cultivos y una vela. Después de agregar los cultivos al frasco, se enciende la vela y se cierra la tapa. A medida que la vela se quema, consume la mayor parte del oxígeno presente y libera CO ₂.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

1. ¿Qué sustancia se agrega a una muestra para detectar catalasa?
2. ¿Cuál es la función de la vela en un frasco de velas?

Enfoque Clínico: Parte 2

La proveedora de salud que vio a Jeni estaba preocupada principalmente por su embarazo. Su condición aumenta el riesgo de infecciones y la hace más vulnerable a esas infecciones. El sistema inmunológico está regulado a la baja durante el embarazo, y los patógenos que atraviesan la placenta pueden ser muy peligrosos para el feto. Una nota en la orden del proveedor al laboratorio de microbiología menciona una sospecha de infección por Listeria monocytogenes, basada en los signos y síntomas exhibidos por el paciente.

Las muestras de sangre de Jeni son sembradas directamente sobre agar sangre de oveja, un medio que contiene agar tríptico de soja enriquecido con 5% de sangre de oveja. (La sangre se considera estéril; por lo tanto, no se esperan microorganismos competidores en el medio). Las placas inoculadas se incuban a 37 °C durante 24 a 48 horas. Emergen pequeñas colonias grisáceas rodeadas por una zona clara. Dichas colonias son típicas de Listeria y otros patógenos como los estreptococos; la zona clara que rodea a las colonias indica lisis completa de sangre en el medio, denominada beta-hemólisis (Figura\(\PageIndex{6}\)). Cuando se prueba la presencia de catalasa, las colonias dan una respuesta positiva, eliminando Streptococcus como posible causa. Además, una tinción de Gram muestra bacilos grampositivos cortos. Las células de un cultivo en caldo cultivado a temperatura ambiente mostraron la motilidad de volteo característica de Listeria (Figura\(\PageIndex{6}\)). Todas estas pistas llevan al laboratorio a confirmar positivamente la presencia de Listeria en las muestras de sangre de Jeni.

Figura\(\PageIndex{6}\): (a) Una muestra de prueba de agar sanguíneo que muestra beta-hemólisis. b) Una prueba de motilidad muestral que muestra resultados positivos y negativos. (crédito a: modificación del trabajo por parte de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades; crédito b: modificación de obra por “VeeDunn” /Flickr)

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿Qué tan grave es el padecimiento de Jeni y cuál es el tratamiento adecuado?

Conceptos clave y resumen

• Los ambientes aeróbicos y anaeróbicos se pueden encontrar en diversos nichos a lo largo de la naturaleza, incluyendo diferentes sitios dentro y sobre el cuerpo humano.
• Los microorganismos varían en sus requerimientos de oxígeno molecular. Los aerobios obligados dependen de la respiración aeróbica y utilizan el oxígeno como aceptor terminal de electrones. No pueden crecer sin oxígeno.
• Los anaerobios obligados no pueden crecer en presencia de oxígeno. Dependen de la fermentación y respiración anaeróbica utilizando un aceptor final de electrones distinto al oxígeno.
• Los anaerobios facultativos muestran un mejor crecimiento en presencia de oxígeno pero también crecerán sin él.
• Aunque los anaerobios aerotolerantes no realizan respiración aeróbica, pueden crecer en presencia de oxígeno. La mayoría de los anaerobios aerotolerantes dan negativo para la enzima catalasa.
• Los microaerófilos necesitan oxígeno para crecer, aunque a una concentración menor que el 21% de oxígeno en el aire.
• La concentración óptima de oxígeno para un organismo es el nivel de oxígeno que promueve la tasa de crecimiento más rápida. La concentración mínima permisiva de oxígeno y la concentración máxima permisiva de oxígeno son, respectivamente, los niveles de oxígeno más bajos y más altos que tolerará el organismo.
• La peroxidasa, la superóxido dismutasa y la catalasa son las principales enzimas involucradas en la desintoxicación de las especies reactivas de oxígeno. La superóxido dismutasa suele estar presente en una célula que puede tolerar el oxígeno. Las tres enzimas suelen ser detectables en células que realizan respiración aeróbica y producen más ROS.
• Un capnófilo es un organismo que requiere una concentración de CO ₂ superior a la atmosférica para crecer.

Notas al pie

1. 1 Centros de Control y Prevención de Enfermedades. “Vivir con Diabetes: Mantén Tus Pies Saludables”. http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/