9.4: Temperatura e crescimento microbiano

Objetivos de

• Ilustre e descreva brevemente os requisitos mínimos, ótimos e máximos de temperatura para o crescimento
• Identifique e descreva diferentes categorias de micróbios com requisitos de temperatura para o crescimento: psicrófilos, psicrotróficos, mesófilos, termófilos, hipertermófilos
• Dê exemplos de microrganismos em cada categoria de tolerância à temperatura

Quando a exploração do Lago Whillans começou na Antártica, os pesquisadores não esperavam encontrar muita vida. Temperaturas abaixo de zero constantes e falta de fontes óbvias de nutrientes não pareciam ser condições que sustentariam um ecossistema próspero. Para sua surpresa, as amostras retiradas do lago mostraram vida microbiana abundante. Em um ambiente diferente, mas igualmente severo, as bactérias crescem no fundo do oceano nas aberturas do mar (Figura\(\PageIndex{1}\)), onde as temperaturas podem chegar a 340° C (700° F).

Os micróbios podem ser classificados aproximadamente de acordo com a faixa de temperatura na qual podem crescer. As taxas de crescimento são as mais altas na temperatura ideal de crescimento para o organismo. A temperatura mais baixa na qual o organismo pode sobreviver e se replicar é a temperatura mínima de crescimento. A temperatura mais alta na qual o crescimento pode ocorrer é a temperatura máxima de crescimento. As seguintes faixas de temperaturas de crescimento permissivas são apenas aproximadas e podem variar de acordo com outros fatores ambientais.

Organismos categorizados como mesófilos (“amor médio”) são adaptados a temperaturas moderadas, com temperaturas de crescimento ideais variando da temperatura ambiente (cerca de 20° C) a cerca de 45° C. Como seria de esperar da temperatura central do corpo humano, 37° C (98,6° F), microbiota humana normal e patógenos (por exemplo, E. coli, Salmonella spp. e Lactobacillus spp.) são mesófilos.

Organismos chamados de psicrotróficos, também conhecidos como psicrotolerantes, preferem ambientes mais frios, desde uma temperatura alta de 25 °C até uma temperatura de refrigeração de cerca de 4 °C. Eles são encontrados em muitos ambientes naturais em climas temperados. Eles também são responsáveis pela deterioração dos alimentos refrigerados.

Foco clínico: Resolução

A presença de Listeria no sangue de Jeni sugere que seus sintomas são devidos à listeriose, uma infecção causada por L. monocytogenes. A listeriose é uma infecção grave com uma taxa de mortalidade de 20% e é um risco particular para o feto de Jeni. Uma amostra do líquido amniótico cultivada para a presença de Listeria deu resultados negativos. Como a ausência de organismos não exclui a possibilidade de infecção, um teste molecular baseado na amplificação do ácido nucléico do RNA ribossômico 16S de Listeria foi realizado para confirmar que nenhuma bactéria atravessou a placenta. Felizmente, os resultados do teste molecular também foram negativos.

Jeni foi internada no hospital para tratamento e recuperação. Ela recebeu uma alta dose de dois antibióticos por via intravenosa por 2 semanas. Os medicamentos preferidos para o tratamento da listeriose são a ampicilina ou a penicilina G com um antibiótico aminoglicosídeo. A resistência a antibióticos comuns ainda é rara em Listeria e o tratamento com antibióticos geralmente é bem-sucedido. Ela foi liberada para o atendimento domiciliar após uma semana e se recuperou totalmente da infecção.

L. monocytogenes é uma haste curta gram-positiva encontrada no solo, na água e nos alimentos. É classificado como psicrófilo e é halotolerante. Sua capacidade de se multiplicar em temperaturas de refrigeração (4—10 °C) e sua tolerância a altas concentrações de sal (até 10% de cloreto de sódio [NaCl]) o tornam uma fonte frequente de intoxicação alimentar. Como a Listeria pode infectar animais, ela geralmente contamina alimentos como carne, peixe ou laticínios. A contaminação de alimentos comerciais geralmente pode ser atribuída a biofilmes persistentes que se formam em equipamentos de fabricação que não estão suficientemente limpos.

A infecção por listeria é relativamente comum entre mulheres grávidas porque os níveis elevados de progesterona regulam negativamente o sistema imunológico, tornando-as mais vulneráveis à infecção. O patógeno pode atravessar a placenta e infectar o feto, geralmente resultando em aborto, natimorto ou infecção neonatal fatal. Portanto, as mulheres grávidas são aconselhadas a evitar o consumo de queijos macios, frios refrigerados, frutos do mar defumados e laticínios não pasteurizados. Como a bactéria Listeria pode ser facilmente confundida com difteróides, outro grupo comum de bastonetes gram-positivos, é importante alertar o laboratório quando houver suspeita de listeriose.

Os organismos recuperados de lagos árticos, como o Lago Whillans, são considerados psicrófilos extremos (amantes do frio). Os psicrófilos são microrganismos que podem crescer a 0 °C ou menos, têm uma temperatura ideal de crescimento próxima a 15 °C e geralmente não sobrevivem a temperaturas acima de 20 °C. Eles são encontrados em ambientes permanentemente frios, como nas águas profundas dos oceanos. Por serem ativos em baixas temperaturas, os psicrófilos e os psicrotróficos são importantes decompositores em climas frios.

Figura\(\PageIndex{1}\): Um fumante negro no fundo do oceano expele água quente e rica em produtos químicos e aquece as águas ao redor. As aberturas marítimas fornecem um ambiente extremo que, no entanto, está repleto de vida macroscópica (os vermes tubulares vermelhos) sustentado por um abundante ecossistema microbiano. (crédito: NOAA)

Organismos que crescem em temperaturas ideais de 50° C a um máximo de 80° C são chamados de termófilos (“amantes do calor”). Eles não se multiplicam à temperatura ambiente. Os termófilos são amplamente distribuídos em fontes termais, solos geotérmicos e ambientes artificiais, como pilhas de compostagem de jardins, onde os micróbios decompõem restos de cozinha e material vegetal. Exemplos de termófilos incluem Thermus aquaticus e Geobacillus spp. Mais acima, na escala de temperaturas extremas, encontramos os hipertermófilos, que são caracterizados por faixas de crescimento de 80° C a um máximo de 110° C, com alguns exemplos extremos que sobrevivem a temperaturas acima de 121° C, a temperatura média de uma autoclave. As fontes hidrotermais no fundo do oceano são um excelente exemplo de ambientes extremos, com temperaturas atingindo uma estimativa de 340 °C (Figura\(\PageIndex{1}\)). Os micróbios isolados das aberturas alcançam um crescimento ideal em temperaturas superiores a 100 °C. Exemplos notáveis são Pyrobolus e Pyrodictium, arquéias que crescem a 105 °C e sobrevivem à autoclavagem. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra as curvas distorcidas típicas de crescimento dependente da temperatura para as categorias de microrganismos que discutimos.

Figura\(\PageIndex{2}\): O gráfico mostra a taxa de crescimento das bactérias em função da temperatura. Observe que as curvas estão inclinadas para a temperatura ideal. Acredita-se que a inclinação da curva de crescimento reflita a rápida desnaturação das proteínas à medida que a temperatura sobe além do ideal para o crescimento do microrganismo.

A vida em ambientes extremos levanta questões fascinantes sobre a adaptação de macromoléculas e processos metabólicos. Temperaturas muito baixas afetam as células de várias maneiras. As membranas perdem a fluidez e são danificadas pela formação de cristais de gelo. As reações químicas e a difusão diminuem consideravelmente. As proteínas se tornam muito rígidas para catalisar reações e podem sofrer desnaturação. No extremo oposto do espectro de temperatura, o calor desnatura proteínas e ácidos nucléicos. O aumento da fluidez prejudica os processos metabólicos nas membranas. Algumas das aplicações práticas dos efeitos destrutivos do calor nos micróbios são a esterilização por vapor, a pasteurização e a incineração de circuitos de inoculação. As proteínas dos psicrófilos são, em geral, ricas em resíduos hidrofóbicos, apresentam um aumento na flexibilidade e têm um número menor de ligações estabilizadoras secundárias quando comparadas às proteínas homólogas dos mesófilos. Proteínas e solutos anticongelantes que diminuem a temperatura de congelamento do citoplasma são comuns. Os lipídios nas membranas tendem a ser insaturados para aumentar a fluidez. As taxas de crescimento são muito mais lentas do que as encontradas em temperaturas moderadas. Sob condições adequadas, mesófilos e até termófilos podem sobreviver ao congelamento. As culturas líquidas de bactérias são misturadas com soluções estéreis de glicerol e congeladas a −80 °C para armazenamento a longo prazo como estoques. As culturas podem resistir à liofilização (liofilização) e, em seguida, ser armazenadas como pó em ampolas seladas para serem reconstituídas com caldo quando necessário.

Macromoléculas em termófilos e hipertermófilos mostram algumas diferenças estruturais notáveis em relação ao que é observado nos mesófilos. A proporção de lipídios saturados e poliinsaturados aumenta para limitar a fluidez das membranas celulares. Suas sequências de DNA mostram uma proporção maior de bases nitrogenadas guanina-citosina, que são mantidas unidas por três ligações de hidrogênio em contraste com a adenina e a timina, que são conectadas na dupla hélice por duas ligações de hidrogênio. Ligações iônicas e covalentes secundárias adicionais, bem como a substituição de aminoácidos essenciais para estabilizar o dobramento, contribuem para a resistência das proteínas à desnaturação. As chamadas termoenzimas purificadas a partir de termófilos têm importantes aplicações práticas. Por exemplo, a amplificação de ácidos nucléicos na reação em cadeia da polimerase (PCR) depende da estabilidade térmica da Taq polimerase, uma enzima isolada do T. aquaticus. As enzimas de degradação dos termófilos são adicionadas como ingredientes em detergentes de água quente, aumentando sua eficácia.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

1. Quais os requisitos de temperatura que a maioria dos patógenos bacterianos humanos tem?
2. Qual adaptação de DNA os termófilos exibem?

Alimentando o mundo... e as algas do mundo

Os fertilizantes artificiais se tornaram uma ferramenta importante na produção de alimentos em todo o mundo. Eles são responsáveis por muitos dos ganhos da chamada revolução verde do século XX, que permitiu ao planeta alimentar muitas de suas mais de 7 bilhões de pessoas. Os fertilizantes artificiais fornecem nitrogênio e fósforo, nutrientes limitantes essenciais, às plantas cultivadas, removendo as barreiras normais que, de outra forma, limitariam a taxa de crescimento. Assim, as safras fertilizadas crescem muito mais rápido e as fazendas que usam fertilizantes produzem maiores rendimentos.

No entanto, foi demonstrado que o uso descuidado e o uso excessivo de fertilizantes artificiais têm impactos negativos significativos nos ecossistemas aquáticos, tanto de água doce quanto marinha. Os fertilizantes aplicados em épocas inadequadas ou em quantidades muito grandes permitem que os compostos de nitrogênio e fósforo escapem do uso pelas plantas cultivadas e entrem nos sistemas de drenagem. O uso inadequado de fertilizantes em ambientes residenciais também pode contribuir para as cargas de nutrientes, que chegam aos lagos e ecossistemas marinhos costeiros. À medida que a água aquece e os nutrientes são abundantes, as algas microscópicas florescem, muitas vezes mudando a cor da água devido à alta densidade celular.

A maioria das proliferações de algas não é diretamente prejudicial aos humanos ou à vida selvagem; no entanto, elas podem causar danos indiretamente. À medida que a população de algas se expande e depois morre, ela fornece um grande aumento na matéria orgânica às bactérias que vivem em águas profundas. Com esse grande suprimento de nutrientes, a população de microrganismos não fotossintéticos explode, consumindo oxigênio disponível e criando “zonas mortas” onde a vida animal praticamente desapareceu.

O esgotamento do oxigênio na água não é a única consequência prejudicial da proliferação de algas. As algas que produzem marés vermelhas no Golfo do México, Karenia brevis, secretam toxinas potentes que podem matar peixes e outros organismos e também se acumular nos moluscos. O consumo de mariscos contaminados pode causar graves sintomas neurológicos e gastrointestinais em humanos. Os canteiros de mariscos devem ser monitorados regularmente quanto à presença de toxinas, e as colheitas geralmente são interrompidas quando estão presentes, incorrendo em custos econômicos para a pesca. As cianobactérias, que podem formar flores em ecossistemas marinhos e de água doce, produzem toxinas chamadas microcistinas, que podem causar reações alérgicas e danos ao fígado quando ingeridas na água potável ou durante a natação. A proliferação recorrente de algas cianobacterianas no Lago Erie (Figura\(\PageIndex{3}\)) forçou os municípios a proibir a água potável por dias seguidos devido aos níveis inaceitáveis de toxinas.

Esta é apenas uma pequena amostra das consequências negativas da proliferação de algas, marés vermelhas e zonas mortas. No entanto, os benefícios do fertilizante agrícola - a principal causa dessas flores - são difíceis de contestar. Não há uma solução fácil para esse dilema, pois a proibição de fertilizantes não é política ou economicamente viável. Em vez disso, devemos defender o uso e a regulamentação responsáveis em contextos agrícolas e residenciais, bem como a restauração de áreas úmidas, que podem absorver o excesso de fertilizantes antes que cheguem aos lagos e oceanos.

Figura\(\PageIndex{3}\): Chuvas fortes causam escoamento de fertilizantes para o Lago Erie, desencadeando extensas proliferações de algas, que podem ser observadas ao longo da costa. Observe as terras agrícolas marrons não plantadas e plantadas em verde na costa. (crédito: NASA)

Link para o aprendizado

Este vídeo discute a proliferação de algas e zonas mortas com mais profundidade.

Conceitos principais e resumo

• Os microrganismos prosperam em uma ampla faixa de temperaturas; eles colonizaram diferentes ambientes naturais e se adaptaram a temperaturas extremas. Tanto temperaturas extremas de frio quanto de calor requerem ajustes evolutivos nas macromoléculas e nos processos biológicos.
• Os psicrófilos crescem melhor na faixa de temperatura de 0 a 15° C, enquanto os psicrotróficos prosperam entre 4° C e 25° C.
• Os mesófilos crescem melhor em temperaturas moderadas na faixa de 20° C a cerca de 45° C. Os patógenos geralmente são mesófilos.
• Termófilos e hipertermófilos são adaptados à vida em temperaturas acima de 50 °C.
• As adaptações às temperaturas frias e quentes exigem mudanças na composição dos lipídios e proteínas da membrana.