1

Brock Biology ofMicroorganisms

Eleventh Edition

Capítulo 6:

Crecimiento Microbiano

Michael Madigan • John Martinko

Crecimiento

6.1 Crecimiento Celular y Fisión

Binaria

6.1 Concept Check

Microbial growth involves an increase in the number of cells.

Growth of most microorganisms occurs by the process of binary

fission.

• Define the term generation.

2

6.3 Concept Check

New cell wall is synthesized during bacterial growth by inserting

new glycan units into preexisting wall material. A hydrophobic

alcohol called bactoprenol facilitates transport of new glycan units

through the cytoplasmic membrane to become part of the growing

cell wall. Transpeptidation bonds the precursors into the

peptidoglycan fabric.

• What are autolysins and why are they necessary?

• What is the function of bactoprenol?

• What is transpeptidation and why is it important?

II

Crecimiento Bacteriano

3

Matemática de crecimiento

microbiano

• n, número de generacionesn = (logNt – log No) / 0.301

• k, velocidad de crecimiento (hr-1)

k = n / t = (logNt – log No) / (0.301 x !t)

• g, tiempo de generación (hr, min…)

g = 1/k

6.4 Concept Check

Microbial populations show a characteristic type of growth pattern

called exponential growth, which is best seen by plotting the

number of cells over time on a semilogarithmic graph.

• Why does exponential growth lead to large cell

populations in so short a period of time?

• What is a semilogarithmic plot?

6.5 Concept Check

From knowledge of the initial and final cell numbers and the time of

exponential growth, the generation time and growth rate constant of

a cell population can be calculated directly. Key parameters here are

n, g, v, k, and t.

• Distinguish between the terms specific growth rate and

generation time.

• If in 8 h an exponentially growing cell population increases

from 5 _ 106 cells/ml to 5 _ 108 cells/ml, calculate g, n, v,and k.

6.6 Ciclo de Crecimiento

4

6.6 Concept Check

Microorganisms show a characteristic growth pattern when

inoculated into a fresh culture medium. There is usually a lag phase,

and then growth commences in an exponential fashion. As essential

nutrients are depleted or toxic products build up, growth ceases, and

the population enters the stationary phase. If incubation continues,

cells may begin to die.

• In what phase of the growth curve are cells dividing in a

regular and orderly process?

• When does a lag phase usually not occur?

• Why do cells enter the stationary phase?

III

Medidas de Crecimiento

Microbiano

Medidas Medidas de de crecimiento microbianocrecimiento microbiano

• Enumeración

• Directa

– Conteo directo

• Indirecta

– Cultivo (Unidades formadoras de colonias)

• Biomasa

• Peso seco

• Turbidez

• Constituyentes celulares (DNA, clorofila, proteínas,

etc.)

Conteo total: métodos directos

“Viable Count”

5

Errores en enumeración por

cultivo

6.7 Concept Check

Growth is measured by the change in number of cells with time.

Cell counts done microscopically measure the total number of cells

in a population, whereas viable cell counts (plate counts) measure

only the living population.

• Why is a viable count more sensitive than a microscopic

count?

• What is the major assumption made in relating plate count

results to cell number?

• Describe how you would dilute a bacterial culture by 10–7.

• What is the “great plate count anomaly”?

6.8 Medidas indirectas de

crecimiento: turbidez

6

6.8 Concept Check

Turbidity measurements are an indirect but very rapid and useful

method of measuring microbial growth. However, in order to relate

a direct cell count to a turbidity value, a standard curve must first be

established.

• List two advantages of using turbidity as a measure of cell

growth.

• Describe how you could use a turbidity measurement to

tell how many colonies you would expect from plating a

culture of a given OD.

6.9 Concept Check

Continuous culture devices (chemostats) are a means of maintaining

cell populations in exponential growth for long periods. In a

chemostat, the rate at which the culture is diluted governs the

growth rate, and the population size is governed by the

concentration of the growth-limiting nutrient entering the vessel.

• How do microorganisms in a chemostat differ from

microorganisms in a batch culture?

• What happens in a chemostat if the dilution rate exceeds

the maximal growth rate of the organism?

• Do pure cultures have to be used in a chemostat?

Influencia de factores ambientales

• Solutos & actividad de agua

• Temperatura

• Oxígeno

• Presión

• Radiación

Solutos & actividad de AGUA

• Parámetros

– libre o asociada (absorbida, iones, temp.)

– actividad de agua (aw), humedad relativa,

potencial de agua

• Medios hipotónicos [diluídos, pared celular]

• Medios hipertónicos [conc., osmoprotectores]

7

…agua

• Vida 0.6 - 0.98 aw

– Organismos NO son eficientes en extraer agua deambientes a un aw < 0.6

– Fungi > halofílicas > bacterias, algas

– Resistencia a desecación (esporas, quistes, otras formasresistentes)

– Sobrevivencia (tipo de suelos, velocidad de desecación,etc.)

Salinidad

– ambientes acuáticos (0.05% sales)

– marinos (3.5% sales)

– hipersalinos (25-30% sales)

• Dunaliella (alga flagelada)

• Artemia salina (camarón)

• Arqueas

• halotolerantes, 2-5% sal

• halofílicos moderados, 5-20%

• halofílicos extremos, 20-30%, Halobacterium

...Solutos & actividad de AGUA

pH• Concentración de protones pH = -log[H+]

– La mayoría de los organsimos prefieren pH neutrales oligeramente alkalinos [sistemas de transporte, membranas,enzimas, DNA y otros constituyentes trabajan establemente]

• Ambientes

– Acidos (pH < 5.5)

• lagos volcánicos

• drenaje de zonas mineras

• suelos de bosques de pinos

• contenido gástrico

…pH

Origen microbiano:

So + 1.5O2 + H2O " H2SO4, !G -118 kcal/mole

– Thiobacillus, mesofílico

– Sulfolobus, termofílico

– Oxidadores de azufre (quimiolitotrofos)

– Fermentaciones " ácidos orgánicos

8

…pH

• Alkalinos (pH > 8.5)

– Lagos y desiertos

1.Presencia de condiciones geológicas que favorezcan laformación de drenajes alkalinos (e.d., alto contenido decarbonato de calcio)

2. Topografía con restricciones de efluentes (embalcescerrados)

3. Condiciones climáticas que conducen a concentración porevaporación

(Problemas para la formación de gradientes de protones y potencial de membrana)

Bacillus sps.

Microorganismos

– Acidofílicos (pH óptimo 1.0 - 5.5)

– Neutrofílico (pH óptimo 5.5 - 8.5)

– Alkilofílico (pH óptimo 8.5 - 11.0)

…pH Resumen

• Sufijo: fílico (amante de, requiere de…)

moderado, extremo, tolerante

• Prefijo:

• Hiper

• Halo (sal)

• Neutro, acido, alkilo (pH)

• Termo (T)

Temperatura

• Ambientes

– Bajas temperaturas [>90% océanos temp. < 5oC]

– 'Temperatura ambiente o corporal’ [20-45oC]

– Altas temperaturas [Regiones volcánicas &geotermales, ambientes de autocalentamiento(compostas), aguas industriales de sistemas deenfriamiento]

…temperatura

Afectan los microorganimos que son polkilotérmicos

– Funcionamiento y crecimiento:

» actividad enzimática

» fluidez de la membrana

» estabilidad del material genético

» organelos y otras estructuras intracelulares, e.d.,

ribosomas

9

Temperaturas Cardinales

sicrofílicos, temp óptimas ! 15 oC (Eucariotas < -18°C)

mesofílicos, 20 - 45°C

sicrotrofos, óptimos de 20-30°C, 35°C máx., 0°C mín.

(psicrofílicos facultativos, imp. industria de alimentos)

…temperatura

termofílicos, óptimas " 55°C

• >60°C restringido a Prokariotas, Arqueas

• récord a 250°C bajo presión (a 1,800-3,700 m

agua es líquida a 460oC)

• ¡40 min - 1 hr tiempo de generación!

– termotolerantes

– moderados

– hipertermofílicos (extremos)

• tipos metabólicos variados; e.d., nitrificadores,

oxidadores de hierro, oxidadores de azufre,

metanogénicas

…temperatura

Oxígeno

• Aceptador de electrones de alta eficiencia energética

• Puede ser tóxico a procesos biológicos [e.d., fijaciónde nitrógeno, metanogenesis]

• Toxicidad puede aumentar en la presencia de luz[formación de aniones radicales, superóxidos;peróxido; radicales de hidroxyl; altamente reactivos,son utilizados por macrófagos para degradación]

10

Enzimas que destruyen formas

tóxicas de oxígeno

…oxígeno

• Microorganismos:

• aeróbicos

– respiración aeróbica

– tienen enzimas para degradar formas tóxicas de oxígeno

• anaeróbicos

– respiración anaeróbica

– fermentaciones

– Clostridium, Bacteroides, Methanococcus

11

• anaerobios facultativos

– crecen mejor en la presencia de oxígeno (respiración

aeróbica)

– también pueden fermentar o respirar anaeróbicamente

– tienen enzimas para degradar formas tóxicas de oxígeno

– coliformes

• aerotolerantes

– ignoran presencia de oxígeno

– Enterococcus faecalis

• microaerofílicos

– crecen a bajas tenciones de oxígeno (2-10% vs. 20%

atmosférico)

…oxígeno

12

Presión

• Tipos• atmosférica

• osmótica

• hidrostática

• Ambientes• Aguas oceánicas de profundidades > 1,000 m

componen aproximadamente el 75% delvolumen total

• 600 - 1,100 atm

• Temperaturas 2 -3 oC

...presión

Microorganismos (rol pared celular)

– Barofílicos, crecen bajo altas presioneshidrostáticas

– Barotolerantes, aumento en presión afectanadversamente pero sobreviven

– No barotolerantes, presión destruye la células

Radiación

• Espectro electromagnético

• Intensidad & tiempo de exposición (dosis)

• Gamma, Rayos X & UV son dañinos (alta

energía) a procesos biológicos

• Fotooxidación (luz + O2 " oxidante fuerte)

…radiación

• mutágeno

– se afecta la estructura de ácidos nucleicos

– afecta procesos de la membrana y su estructura

– afecta aparatos fotosintéticos

• estrategias

– fotoreactivación

– pigmentos protectores; e.d., carotenoides

– fototaxis