17.2: Factores que influyen en el crecimiento bacteriano
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- Defina lo siguiente:
- psicrófilo
- psicrotrofo
- mesófilo
- termófilo
- aerobio obligado
- obligado anaerobio
- anaerobio aerotolerante
- anaerobio facultativo
- Afirma el rango de pH óptimo para la mayoría de las bacterias y compara este rango con el pH óptimo para hongos.
- Defina lo siguiente:
- fototrofo
- quimiótrofo
- autótrofo
- heterótrofo
- fastidioso
Requerimientos físicos
a. Temperatura
Las bacterias tienen una temperatura mínima, óptima y máxima de crecimiento y se pueden dividir en 3 grupos en función de su temperatura de crecimiento óptima:
1. Los psicrófilos son bacterias amantes del frío. Su temperatura óptima de crecimiento está entre -5C y 15C. Suelen encontrarse en las regiones árticas y antárticas y en arroyos alimentados por glaciares.
2. Los mesófilos son bacterias que crecen mejor a temperaturas moderadas. Su temperatura óptima de crecimiento está entre 25C y 45C. La mayoría de las bacterias son mesofílicas e incluyen bacterias comunes del suelo y bacterias que viven dentro y sobre el cuerpo.
3. Los termófilos son bacterias amantes del calor. Su temperatura óptima de crecimiento está entre 45C y 70C y se encuentran comúnmente en aguas termales y en montones de compost.
4. Los hipertermófilos son bacterias que crecen a temperaturas muy altas. Su temperatura óptima de crecimiento está entre 70C y 110C. Suelen ser miembros de las Archaea y se encuentran creciendo cerca de respiraderos hidrotermales a grandes profundidades en el océano.
b. Requerimientos de oxígeno
Las bacterias muestran una gran variación en sus requerimientos de oxígeno gaseoso. La mayoría se puede colocar en uno de los siguientes grupos:
1. Los aerobios obligados son organismos que crecen sólo en presencia de oxígeno. Obtienen su energía a través de la respiración aeróbica.
2. Los microaerófilos son organismos que requieren una baja concentración de oxígeno (2% a 10%) para su crecimiento, pero concentraciones mayores son inhibitorias. Obtienen su energía a través de la respiración aeróbica.
3. Los anaerobios obligados son organismos que crecen solo en ausencia de oxígeno y, de hecho, a menudo son inhibidos o asesinados por su presencia. Obtienen su energía a través de la respiración anaeróbica o fermentación.
4. Los anaerobios aerotolerantes, como los anaerobios obligados, no pueden usar oxígeno para transformar la energía, sino que pueden crecer en su presencia. Obtienen energía solo por fermentación y son conocidos como fermentadores obligados.
5. Los anaerobios facultativos son organismos que crecen con o sin oxígeno, pero generalmente mejor con oxígeno. Obtienen su energía a través de la respiración aeróbica si hay oxígeno presente, pero usan fermentación o respiración anaeróbica si está ausente. La mayoría de las bacterias son anaerobios facultativos.
c. pH
Los microorganismos pueden ser colocados en uno de los siguientes grupos en función de sus requerimientos de pH óptimos:
1. Los neutrófilos crecen mejor en un rango de pH de 5 a 8.
2. Los acidófilos crecen mejor a un pH por debajo de 5.5.
3. Los alcalófilos crecen mejor a un pH superior a 8.5.
d. Ósmosis
La ósmosis es la difusión del agua a través de una membrana desde un área de mayor concentración de agua (menor concentración de soluto) a menor concentración de agua (mayor concentración de soluto). La ósmosis es alimentada por la energía potencial de un gradiente de concentración y no requiere el gasto de energía metabólica. Si bien las moléculas de agua son lo suficientemente pequeñas como para pasar entre los fosfolípidos en la membrana citoplasmática, su transporte puede potenciarse transportando proteínas de transporte de agua conocidas como acuaporinas. Las acuaporinas forman canales que abarcan la membrana citoplasmática y transportan agua dentro y fuera del citoplasma.
Para entender la ósmosis, hay que entender lo que se entiende por una solución. Una solución consiste en un soluto disuelto en un disolvente. En términos de ósmosis, soluto se refiere a todas las moléculas o iones disueltos en el agua (el disolvente). Cuando un soluto como el azúcar se disuelve en agua, forma débiles enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. Si bien las moléculas de agua libres y no unidas son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los poros de la membrana, las moléculas de agua unidas al soluto no lo son (ver Figura\(\PageIndex{4}\) C y Figura\(\PageIndex{4}\) D) .Por lo tanto, cuanto mayor sea la concentración de soluto, menor será la concentración de moléculas de agua libre capaces de pasando a través de la membrana.
Una célula puede encontrarse en uno de tres ambientes: isotónico, hipertónico o hipotónico. (Los prefijos iso-, hiper- e hipo- se refieren a la concentración de soluto).
- En un ambiente isotónico (ver Figura\(\PageIndex{5}\) A), tanto la concentración de agua como de soluto son las mismas dentro y fuera de la célula y el agua entra y sale de la célula a igual velocidad.
| Versión http5 de animación para iPad mostrando ósmosis en un ambiente isotónico. |
- Si el ambiente es hipertónico (ver Figura\(\PageIndex{5}\) B), la concentración de agua es mayor dentro de la célula mientras que la concentración de soluto es mayor en el exterior (el interior de la célula es hipotónico al ambiente hipertónico circundante). El agua sale de la celda.
| Versión html5 de animación para iPad mostrando ósmosis en un ambiente hipertónico. |
- En un ambiente hipotónico (ver Figura\(\PageIndex{5}\) C), la concentración de agua es mayor fuera de la célula y la concentración de soluto es mayor en su interior (el interior de la célula es hipertónico al entorno hipotónico). El agua entra en la celda.
| Versión html5 de animación para iPad mostrando ósmosis en un entorno hipotónico. |
La mayoría de las bacterias requieren un ambiente isotónico o hipotónico para un crecimiento óptimo. Se dice que los organismos que pueden crecer a concentraciones relativamente altas de sal (hasta 10%) son osmotolerantes. Aquellos que requieren concentraciones de sal relativamente altas para el crecimiento, como algunas de las Archaea que requieren concentraciones de cloruro de sodio de 20% o más halófilos.
Requerimientos nutricionales
Además de un ambiente físico adecuado, los microorganismos también dependen de una fuente disponible de nutrientes químicos. Los microorganismos a menudo se agrupan según su fuente de energía y su fuente de carbono.
a. Fuente de energía
1. Los fototrofos utilizan la energía radiante (luz) como fuente de energía primaria.
2. Los quimiótrofos utilizan la oxidación y reducción de compuestos químicos como su fuente de energía primaria.
b. Fuente de carbono
El carbono es la columna vertebral estructural de los compuestos orgánicos que conforman una célula viva. En función de su fuente de carbono, las bacterias pueden clasificarse como autótrofos o heterótrofos.
1. Autótrofos: requieren solo dióxido de carbono como fuente de carbono. Un autótrofo puede sintetizar moléculas orgánicas a partir de nutrientes inorgánicos.
2. Heterótrofos: requieren formas orgánicas de carbono. Un heterótrofo no puede sintetizar moléculas orgánicas a partir de nutrientes inorgánicos.
Combinando sus patrones nutricionales, todos los organismos de la naturaleza pueden colocarse en uno de cuatro grupos separados: fotoautótrofos, fotoheterótrofos, quimioautótrofos y quimioheterótrofos.
1. Los fotoautótrofos utilizan la luz como fuente de energía y el dióxido de carbono como su principal fuente de carbono. Incluyen bacterias fotosintéticas (bacterias de azufre verde, bacterias de azufre púrpura y cianobacterias), algas y plantas verdes. Los fotoautótrofos transforman el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos y gas oxígeno a través de la fotosíntesis.
Las cianobacterias, así como las algas y las plantas verdes, utilizan átomos de hidrógeno del agua para reducir el dióxido de carbono y formar carbohidratos, y durante este proceso se desprende gas oxígeno (un proceso oxigénico). Otras bacterias fotosintéticas (las bacterias de azufre verde y las bacterias de azufre púrpura) llevan a cabo un proceso anoxigénico, utilizando azufre, compuestos de azufre o gas hidrógeno para reducir el dióxido de carbono y formar compuestos orgánicos.
2. Los fotoheterótrofos utilizan la luz como fuente de energía pero no pueden convertir el dióxido de carbono en energía. En cambio, utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono. Incluyen las bacterias verdes sin azufre y las bacterias moradas sin azufre.
3. Los quimiolitoautótrofos utilizan compuestos inorgánicos como sulfuro de hidrógeno, azufre, amoníaco, nitritos, gas hidrógeno o hierro como fuente de energía y el dióxido de carbono como su principal fuente de carbono.
4. Los quimiooganoheterótrofos utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y como fuente de carbono. Los saprófitos viven de materia orgánica muerta mientras que los parásitos obtienen sus nutrientes de un huésped vivo. La mayoría de las bacterias y todos los protozoos, hongos y animales son quimioorganoheterótrofos.
c. Fuente de Nitrógeno
El nitrógeno es necesario para la síntesis de moléculas tales como aminoácidos, ADN, ARN y ATP. Dependiendo del organismo, se pueden usar nitrógeno, nitratos, amoníaco o compuestos orgánicos de nitrógeno como fuente de nitrógeno.
d. Minerales
1. Azufre
El azufre es necesario para sintetizar aminoácidos que contienen azufre y ciertas vitaminas. Dependiendo del organismo, se pueden usar sulfatos, sulfuro de hidrógeno o aminoácidos que contienen azufre como fuente de azufre.
2. Fosforo
El fósforo es necesario para sintetizar fosfolípidos, ADN, ARN y ATP. Los iones fosfato son la principal fuente de fósforo.
3. Potasio, magnesio y calcio
Estos son necesarios para que ciertas enzimas funcionen así como funciones adicionales.
4. Hierro
El hierro es parte de ciertas enzimas.
5. Elementos traza
Los oligoelementos son elementos requeridos en cantidades muy pequeñas, y como potasio, magnesio, calcio y hierro, generalmente funcionan como cofactores en las reacciones enzimáticas. Incluyen iones de sodio, zinc, cobre, molibdeno, manganeso y cobalto. Los cofactores suelen funcionar como donantes de electrones o aceptores de electrones durante las reacciones enzimáticas.
e. Agua
f. Factores de crecimiento
Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos como aminoácidos, purinas, pirimidinas y vitaminas que una célula debe tener para crecer pero que no puede sintetizarse por sí misma. Se dice que los organismos que tienen requerimientos nutricionales complejos y que necesitan muchos factores de crecimiento son exigentes.
Resumen
- Las bacterias tienen una temperatura mínima, óptima y máxima para el crecimiento y se pueden dividir en 3 grupos en función de su temperatura de crecimiento óptima: psicrófilos, mesófilos, termofilos o hipertermófilos.
- Las bacterias muestran una gran variación en sus requerimientos de oxígeno gaseoso. La mayoría se puede ubicar en uno de los siguientes grupos: aerobios obligados, microaerófilos, anaerobios obligados, anaerobios aerotolerantes o anaerobios facultativos.
- Los microorganismos pueden ser colocados en uno de los siguientes grupos en función de sus requerimientos de pH óptimos: neutrófilos, acidófilos o alcalófilos.
- El ambiente osmótico de una bacteria puede afectar el crecimiento bacteriano.
- Las bacterias pueden agruparse según su fuente de energía como fototrofos o quimiótrofos.
- Las bacterias pueden agruparse según su fuente de carbono como autótrofos o heterótrofos.
- Combinando sus patrones nutricionales, todos los organismos de la naturaleza pueden colocarse en uno de cuatro grupos separados: fotoautótrofos, fotoheterótrofos, quimioautótrofos y quimioheterótrofos.
- Las bacterias también necesitan una fuente de nitrógeno, varios minerales y agua para el crecimiento.
- Se dice que los organismos que tienen requerimientos nutricionales complejos y que necesitan muchos factores de crecimiento son exigentes.