Factores ambientales para el crecimiento microbiano

El crecimiento de un microorganismo depende del medio de cultivo y de los factores ambientales que hay en ese medio, a saber: temperatura, presión osmótica e hidrostática, y pH.

Temperatura

El primero y más importante es la temperatura. Controla tanto la tasa o velocidad de crecimiento de una población microbiana como el metabolismo interno de las células. Puesto que los microorganismos son prácticamente todos unicelulares, la temperatura de las células refleja la del medio ambiente. Para cada microorganismo se define un grupo de 3 temperaturas: las temperaturas cardinales, dentro de las cuales se desarrolla su actividad.

Hay una temperatura mínima, por debajo de la cual no puede crecer. Otra temperatura máxima, por encima de la cual no puede crecer. Y una temperatura óptima donde se da la mayor capacidad de crecimiento del microorganismo (esta más cerca de la máxima que de la mínima).

Cuando ascendemos desde la tª mínima hasta la óptima se produce una activación térmica de las moléculas que intervienen en este proceso. La máxima eficacia del metabolismo ocurre siempre a la temperatura óptima.

Si sometemos a las células a temperaturas por debajo de la mínima se enlentece el metabolismo, se congelan las membranas, etc. Si las sometemos a temperaturas por encima de la máxima la membrana se desorganiza, se desnaturalizan las enzimas, etc.

Clasificación de los microorganismos en función de sus temperaturas cardinales

Psicrófilos

Entre 0-20ºC, con un óptimo en torno a 15ºC. Son organismos que tienen como hábitat ambientes fríos, como los polos, el océano ártico y antártico, etc. Hay representantes de todos los grupos microbianos: Pseudomonas, Vibrio, algunas archeas, etc. La base molecular de los psicrófilos se debe a que sus membranas poseen altos niveles de ácidos grasos insaturados, lo que les permite mantener un estado de semifluidez de la membrana a bajas temperaturas. Si les subimos la temperatura por encima de 20ºC sus membranas se desorganizan.

Hay una variante de este grupo, que son los llamados psicrófilos facultativos o psicrótrofos: tienen un rango entre 20-30ºC, e incluso pueden vivir por encima de 30ºC sin problema, pero también son capaces de crecer a bajas temperaturas (0-5ºC). Incluyen bacterias y hongos, que son los principales responsables del deterioro de alimentos refrigerados.

Mesófilos

Entre 20-45ºC. Son muy sensibles y mueren rápidamente a temperaturas por encima de 45-50ºC. La gran mayoría de microorganismos pertenece a esta categoría: aquí están todos los patógenos de los animales. Todos los quimioheterótrofos son mesófilos. Se incuban a una temperatura de 37ºC.

Termófilos

Entre 45-65/70ºC, con un óptimo entre 55-60ºC. Aquí encontramos organismos que viven en aguas termales, en geiseres, cauces de agua caliente, etc. Además, aparecen en medios artificiales, como las pilas de heno y en el proceso de degradación de materia orgánica para obtener abono (compostaje).

Hay una variante de este grupo, que son los llamados hipertermofilos (como Pyrodictium). La mayoría son archeas, que viven en ambientes donde la temperatura habitual está por encima de 90ºC (100-110ºC). Si esa temperatura baja mueren. Bases moleculares de la termofilia: la estabilidad celular de los termófilos se debe a que sus membranas contienen enlaces internos hidrofóbicos reforzados por puentes de hidrógeno. Normalmente contienen proteínas que se unen al DNA y los protegen del calor.

En los lípidos de membrana, los ácidos grasos tienden a ser saturados, generalmente ramificados y con mayor peso molecular, lo que aumenta mucho su temperatura de fusión.

Presión osmótica

Los microorganismos tienden a desarrollarse en ambientes osmóticamente estables, y son muy sensibles a cambios en la concentración osmótica. Para compensarlo, los eucariotas sintetizan solutos compatibles: moléculas pequeñas que no aumentan la masa celular pero mantienen estables las membranas. Estos solutos compatibles son, por ejemplo, el potasio, la trealosa, las betainas, etc.

Hay un parámetro clave que nos mide, en un medio con solutos, la actividad de agua (a_w), que es igual a la presión del vapor de agua en presencia de un soluto con respecto de la presión del agua pura (P_S/P₀). Oscila entre 0-1. Es un indicador de la cantidad de agua metabólicamente disponible para la actividad de los microorganismos.

A_w = P_s / P_o

Todos los bichos requieren una alta actividad de agua para llevar a cabo su metabolismo. En bacterias la a_w=0’9. Los hongos pueden vivir en ambientes con a_w=0’8. Si la a_w baja mucho (0’6-0’5), los microorganismos no pueden crecer.

Clasificación de los microorganismos en base a su aw

• Osmófilos. En ambientes muy secos, con una alta concentración de azúcar. Por ejemplo, Saccharomyces balii (la levadura del pan) o Penicillium.
• Xerófilos. Crecen en ambientes extremadamente secos. Si el a_w sube mucho, la actividad del microorganismo se para. Muchos hongos son xerófilos.
• Halófilos. Adaptados a ambientes con alta concentración de sal. Suelen ser marinos.

Hay una variedad, que son los halotolerantes, que son aquellos que pueden vivir sujetos a cambios en la concentración de sal del medio, como Staphylococcus. Y los halófilos extremos, como algunas archeas, que viven en ambientes donde la concentración de sal está prácticamente a concentración de saturación.

Muchos de los tratamientos de conservación de alimentos pretenden bajar la a_w y paralizar el crecimiento microbiano. Los métodos de conservación de fruta en almíbar, o de salmuera, son tratamientos muy antiguos cuyo objetivo es ese. Al poner un soluto desciende la a_w, y se paraliza el metabolismo de los microorganismos.

Presión hidrostática

La presión hidrostática afecta a la fisiología y a la bioquímica de los microorganismos. La mayoría de los microorganismos que viven en ambientes no extremos no pueden tolerar altas presiones. Esto es debido a que esa alta presión genera un aumento de la viscosidad del citoplasma, bajada de la capacidad enzimática de unirse a sus respectivos sustratos, además de interferir en la división celular. La célula puede alargarse pero no forma el tabique transversal, así que la célula crece pero no puede dividirse.

Según su tolerancia a la presión hidrostática, los microorganismos se dividen en:

• Barotolerantes. Son capaces de vivir a elevadas presiones (entre 1 y 500 atm), si bien crecen mejor con la presión atmosférica (1 atm). Ejemplos: cepas de muchos microorganismos, como Escherichia o Pseudomonas.
• Barófilos. Crecen mejor a presiones elevadas, aunque también pueden crecer a presión atmoférica (1 atm). Su presión óptima está entre 400 y 500 atm. Ejemplo: Thermococcus barophilus.
• Barófilos extremos o estrictos. Crecen a presiones muy elevadas. No pueden crecer por debajo de 400 atm. Su presión óptima es superior a 700-800 atm. Suelen vivir en grandes profundidades. Ejemplo: Pseudomonas bathecetes.

pH

El pH es la acidez, o alcalinidad, de una solucón. Es un parámetro crítico para el crecimiento microbiano. Los microorganismos solo toleran cambios mínimos del pH del medio en el que viven. Generalmente viven a pH neutro. Las bacterias toleran variaciones ligeramente acidas (pH=6,5). Los hongos permiten ambientes un poco más ácidos (pH=5’5-6’5).

El pH interno de la célula es ligeramente superior al pH del medio siempre. De esta forma se mantiene la membrana energizada con los protones en el exterior y se puede generar una fuerza protón-motriz. Los daños que produce en la estabilidad celular las variaciones bruscas de pH son de dos tipos:

• El pH daña la permeabilidad de la membrana plasmática y produce inhibición de la actividad enzimática y de los sistemas de transporte. Durante la endosporulación, uno de los pasos era una bajada del pH interno, lo que ralentizaba el metabolismo celular.
• Variaciones bruscas de pH alteran el estado iónico de los solutos a transportar.

Clasificación de los microorganismos según su pH óptimo

• Neutrófilos. pH óptimo = 7. Ejemplo: bacterias patógenas humanas.
• Acidófilos. pH óptimo < 7. Ejemplo: muchas archeas (Sulfolobus, Ferroplasma) y hongos.
• Basófilos. pH óptimo > 7. Viven en suelos y aguas ricas en carbonatos.

Determinados microorganismos son capaces de acidificar el medio mediante la actividad de su metabolismo, como las bacterias lácticas o las bacterias del acido acético. Usan determinados compuestos y acidifican el medio: todas ellas son tolerantes de medios ácidos, y así eliminan muchos competidores.

Estos procesos son útiles dentro del campo de la industria. Igual que hay alimentos que se conservan en presencia de azúcar o sal, hay algunos que se conservan en medios ácidos.