Efecto del pH sobre el crecimiento microbiano

1. EFECTO DEL pH SOBRE EL
CRECIMIENTO MICROBIANO

2. pH
Es un factor químico muy
importante, porque los
procesos biológicos solo
pueden tener lugar a un pH
generalmente cercano a la
neutralidad.

3. Límites de pH de crecimiento
Los límites de pH de crecimiento se denominan:
mínimo, óptimo y máximo de crecimiento.
Los microorganismos pueden clasificarse según el
pH óptimo externo en el cual se desarrollan.
acidófílico neutrofílico alcalofílico
Velocidaddecrecimiento

4. Límites de pH de crecimiento

5. Clasificación de
microorganismos
pH externo de
crecimiento
pH interno
(citoplasma)
Acidófilos 0.5 – 5.0 6.5
Neutrófilos 6.0– 8.0 7.5
Alcalófilos 8.0 – 13 7.5
Límites de pH de crecimiento
pH de preferencia de algunos procariotes
arquea
arquea

6. Los límites de pH de crecimiento
Microorganismos pH
Arqueas O -13
Bacterias 1 - 9.
Hongos 4 - 6
Protozoarios 6.7 - 7.7
Algas 4 - 8.5
Carpas 4
Mosca 2

7. ¿Cómo es el pH interno en las bacterias extremas acidofílicas
y/o alcalofílicas?
Generalmente no se desvía de la
neutralidad en más de dos
unidades, y está entre 5-8.
Enzimas intracelulares
No funcionan a los
pH´s extremos
Enzimas extracelulares
Funcionan a un pH
s i m i l a r a l d e l
exterior.

8. Efectos del pH del ambiente en las célula
v Afecta las proteínas (enzimas), inhiben su actividad y las
coagulan, alterando el metabolismos central.
v Afectan la disociación y la solubilidad de muchas
moléculas y por lo tanto los procesos celulares.
v Afecta las envolturas celulares (pared, membranas externa
y citoplasmática), debido a la disociación/protonación de
los componentes.
v Cambios en la morfología celular. Las células se rompen.
v Causa una división celular incorrecta,
v Cambios en la adhesión y la floculación de las células
A pH ácido los compuestos no se ionizan y penetran más fácilmente a la células.
A pH alcalino los compuestos se ionizan y no pueden pasar a la célula por tener igual
carga negativa.

9. Efecto del pH sobre las macromoléculas
Afecta principalmente el
RNA y los fosfolípidos.
pH ácido
Altera principalmente las
proteínas, la membrana
citoplasmática, el DNA, la
clorofila y el ATP.
pH alcalino

10. El pH modifica los procesos celulares
FERMENTACIÓN:
v A pH ácido y bisulfito se produce glicerol en levaduras
(usado en la segunda guerra mundial).
v A pH de 6.3 se produce ácido acético + ácido fórmico y
no se produce hidrógeno ni CO2
v A pH <6.3, el ácido acético pasa a acetoína y 2-3 butilen
glicol.
v A pH <6.3 Aerobacter aerógenes produce 2-3 butanodiol.
v A pH <7.0 E. coli realiza descarboxilación y baja el pH del
medio, pero a pH >7.0 produce desaminación y el pH del
medio aumenta.
v A pH < 6.5 Streptococccus licuefaciens produce ácido
láctico y a pH=6.5 produce ácido fórmico, acético y
etanol.

11. Los microorganismos auto limitan su crecimiento
C o m o p r o d u c t o d e s u
m e t a b o l i s m o , s i n t e t i z a n
sustancias ácidas y alcalinas
que modifican el pH.
Soluciones reguladoras: permiten mantener el pH sin que
se modifique por los productos del metabolismo.
v regulador de fosfatos: mantiene el pH ~ 7
v regulador de citratos: mantiene el pH<6,
v regulador de boratos y glicina: mantiene el pH>8.

12. Crecimiento microbiano en un intervalo de pH
La mayoría de las bacterias crecen en
ambientes con un intervalo de pH relativamente
amplio, por ejm.:
Escherichia coli puede crecer a un intervalo de pH 5.0 -8.0.
Independientemente del pH externo, el pH interno se mantiene en
un valor muy cercano a 7.6 (óptimo para su metabolismo).
¿Cómo lo hacen?
v Ajustan su pH intracelular por el bombeo
de iones H+ fuera o dentro de la célula.
v Sistemas amortiguadores internos pueden
contribuir a la homeostasis del pH.

13. Bombeo de H+ en para mantener el pH
(acidofílicos)
SISTEMA DE TRANSPORTE ANTIPORTE H+/K+
La membrana citoplasmática es permeable a los protones y
los microorganismos intercambian los protones internos por
potasio, corrigiendo pequeñas variaciones en el pH.

14. v Sistema de transporte antiporte
O H - / N a + . L a m e m b r a n a
citoplasmática es permeable OH-
externos y los intercambiaos por
iones de sodio.
v Los sistemas amortiguadores
internos pueden contribuir a la
homeostasis del pH.
Bombeo de OH- en para mantener el pH
(alcalofílicos)

15. Adaptaciones para crecer a pH extremos
Si el pH baja a < de 4.5:
v Sintetizan chaperonas de choque térmico y de choque ácido, que
evitan la desnaturalización de las proteínas y facilitan el
plegamiento de las desnaturalizadas.
v Membrana con alta concentración de lípidos cíclicos, y
fosfolípidos con aminoácidos que funcionan para la eliminación
de H+.
Si el pH baja a 4.5-5.5:
v Síntesis de proteínas con cierta tolerancia al pH ácido.
v La ATPasa sintetiza más ATP, al bombear los H+ hacia
fuera “protege” a la célula.
v Se protegen con extremo-enzimas que se localizan en
o cerca de la pared celular o también con secreciones
externas.

16. pH y los ambientes naturales
pH
pH ácido
(< 6.0)
pH neutro
(6-8.5)
pH alcalino
(> 8.5)
La mayoría de la biósfera
aguas o fuentes termales “Geiseres” >60 °C.
yacimientos geotérmicos
volcanes marinos “Chimeneas negras”
hasta 350°C.
pantanos
suelos ácidos
agua de drenaje de minas
aguas de albañal
lagos carbonatados
desiertos carbonatados
suelos carbonatados

17. Clasificación de los microorganismos en ambientes ácidos
ACIDÚRICOS:
toleran los pH ácido pero no crecen
Cephalosporium
Fusarium,
ACIDOTOLERANTES:
pueden crecer a pH ácidos pero
crecen mejor a pH neutro.
Streptococcus mutans,
Helicobacter pilory
MODERADOS: pH óptimo > 3 - 5.5
hongos
protistas
Lactobacillus
Suelo ácido,
rumen
Alga: Cianidium caldarium
B. acidocaldarius
Arqueas: Picrophilus
oshimae y Sulfolobus
acidocaldarius
Acetobacter
Acontium cylatium
Chlamydomonas, Euglena
EXTREMOS: pH < 2 ó
3
[(FeS), ó H2SO4],
ocasionan problemas de
contaminación y
corrosión.
Thiobacillus thioxidans
T. ferroxidans
T. thermophilica
Suelos ácidos-calientes
(volcánicos) pH 0-3.
T h e r m o p l a s m a
Ferroplasma
Metallosphaera
Escurrideros de minas
drenajes que alcanzan
pH de 0.5-3.
Efluentes de
percolados
desperdicios de carbón
de hulla, pH de 2
Manantiales
geotérmicos pH 0-3,
Solfataras
ACIDOFÍLICOS:
ACIDOFÍLICOS:

18. Acidofílicos extremos u obligados

19. Los ambientes ácidos surgen naturalmente de actividades
geoquímicas, como puede ser la producción de gases
sulfurosos de emanaciones volcánicas y en las escorias de las
minas.
Drenaje ácido de minas
Ambientes ácidos
Drenaje ácido de minas

20. Características:
v Oxidan sulfuros hasta ácido sulfúrico y generan
estos pH bajos.
v Requieren las altas concentraciones de H+ para
mantener la INTEGRIDAD DE SUS MEMBRANAS y
envolturas. A pH neutro se desintegran.
Organismos que crecen con pH óptimo <2
Sulfolobus
Picrophilus oshimae
T h e r m o p l a s m a
Ferroplasma
ARQUEAS
Thiobacillus
T. thiooxidans, T.
ferrooxidans
T. thermophilica
BACTERIAS

21. Thiobacillus ferrooxidans
Crece en suelos de minas con pH ácido entre 1.3 -
4.5 y en ambientes hidrotermales submarinos.
Oxida Fe+2 y S2O3
2- a SO42- generando un pH ácido.
T. thiooxidans
crece a pH 0.5. El Oxígeno es el aceptor de e-
Citocromo oxidasa
Citocromos
Rusticianina (contiene Ca2+)
pH=6 ΔpH : 4 pH = 2
interior exterior
ATP sintetasa

22. Ambientes de efluentes de carbón de hulla
percolados
Thermoplasma
Ferroplasma
Metallosphaera

23. Thermoplasma acidophilum
No tiene pared celular.
Su membrana contiene
lípidos diéter y tretaéter
y requiere de altas [H+]
para mantener su
estructura, anula la
repulsión de grupos de
carga.
Es una arquea que habita en ambientes con pH 2.
Es un organismo heterótrofo quimiolitotrófico, obtiene su energía por respiración
anaerobia (aceptor e- H2S).
Se emplea como modelo para la investigación científica.

24. Ferroplasma acidarmanus
Arquea identificada en drenajes
ácidos de minas de fierro, en Iron
Mountain, Cal., y desarrolla a pH 0 -
2.2 y a una temperaturas de 15-47
°C, con un óptimo de 35-36 °C,
Carece de pared celular.
Participa en la desintegración
oxidativa de minerales de sulfuro
(pyrite, FeS2) y juega un importante
papel en el ciclo biogeoquímico del
S.
Resiste altas concentraciones de
cobre, arsenico, cadmio y zinc.Montaña de fierro.
Con sedimentos de pirita.
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ +2SO4
2- + 16H+

25. Metallosphaera prunae
Arquea. Crece en medios muy ácidos
y a 80°C.
Oxida fierro y azufre, dejando como
residuo.... óxido de fierro.
Oxida pirita, esfalerita, chalcopirita, o
hidrógeno molecular.
Fue aislado de una mina de uranio en
Thueringen, Alemania.
Gran potencial biotecnológico y en
borremedación para eliminar los
residuos radioactivos o metales
tóxicos.
Su gran actividad exotérmica provee
una alternativa como fuente de
energía.
Drenaje de suelos ácidos
Fe(SO4) sulfato férrico soluble

26. Ambientes ácidos: geyser (<60°C)*
solfataras
Manantiales geotérmicos
Alga:
Cianidium caldarium
Hongos:
Acontium cylatium
Bacterias:
B. acidocaldarius
Arqueas:
Sulfolobus acidocaldarius,
Picrophilus oshimae
*Son pequeños volcanes de vapor de agua hirviendo

27. Grand Prismatic, Yellowstone Park
Ambientes ácidos: geyser

28. Algas acidofílicas extremas
Cyanidium caldarium, alga
roja que puede crecer a
p H ~ 0 . S u ó p t i m o d e
crecimiento en cultivo es
de 2-3.
El alga verde Dunaliella acidophila
crece a pH=0 con un máximo de
crecimiento a pH=1. Lemonade Spring,
Yellowstone National
Park

29. T r e s h o n g o s : A c o n t i u m c y l a t i u m ,
Cephalosporium sp y Trichosporon cerebriae
crecen a pH 0.
Hongos acidofílicos extremas
Cephalosporium sp
Trichosporon cerebriae

30. Bacterias acidofílicas extremas
Bacillus acidocaldarius, aislado de pilas de
manantiales geotérmicos y de compostas a pH
2-3 y a 55 °C.

31. S u l f o l o b u s a c i d o c a l d a r i u s , a r q u e a
sorprendentemente acidófila y termofílica. Se aísla
de manantiales geotérmicos a temperaturas de
60-95 °C, y a pH 1- 5.
Microfotografía de las células
unidas a cristales de azufre.
Habitat de Sulfolobus
Archaea acidofílica termofílica

32. Archaea acidofílica termofílica
Picrophilus oshimae
Arqueas que crecen entre 45 y 65 °C óptimo de 60 °C y
pH <3.5 con un óptimo pH = 0.7.
Un crecimiento significativo ha sido observado a pH=0.
Fue aislado de solfataras* en el norte de Japón.
SON TERMOFÍLICOS MODERADOS, PERO
FUERTEMENTE ACIDOFÍLICOS.
Picrophilus torridus
*Son emisiones de vapor de agua y ácido sulfhídrico.

33. Acetobacter aceti
Aislado de suelos ácidos-
calientes pH 3.
Utilizado industrialmente
p a r a p r o d u c i r á c i d o
acético.

34. Acidofílicos moderados

35. Habitat: suelos ácidos
v Bacterias
v Hongos
v Algas
v Protozoarios

36. Lactobacillus acidophilus

37. Hongos
Aspergillus spPenicillium sp
Mucor sp Levaduras Producción de
ácido cítrico

38. Algas acidofílicas moderadas
Chlamydomonas Euglena sp

39. Acidotolerantes
Helicobacter pylori, causa úlceras estomacales.
Produce
amoníaco a partir
de la urea, para
neutralizar el
ácido gástrico.
Enzima ureasa.

40. Microorganismos alcalofílicos
Los ambientes alcalinos naturales son
poco comunes o están en áreas
inaccesibles.
Hay poca información de estos
microorganismos.

41. Microorganismos alcalofílicos extremos
pH 9-13: Lagos ricos en sosa o
bicarbonatos: Egipto, Valle Rift en África ,
en el oeste de los E.U.
Bacteria fototrófica: Ectothiorhodospira sp.
Bacteria espiral: Spirochaeta americana
Cianobacterias: Anabaenopsis arnoldii,
Spirulina platensis, Gleotheca, Plectonema
Arqueas: Natronobacterium gregogy,
Natronococcus.
Bacillus alcalophilus,
Bacillus circulans,
Nitorosomonas,
Nitrobacter,
Agrobacterium,
Alcalígenes,
Streptococcus faecalis,
Vibrio cholera
algunas actinobacterias.
Cianobacteria: Mycrocystis auroginosa
pH 8-11: Suelos ricos en carbonatos o
bicarbonatos, sosa o amonio, en las zonas
desérticas.
pH 8-11: Suelos con excretas de animales
o proteínas descompuestas que general
sales biliares (taurocolato y desoxicolato),
Vibrio cholera
Streptococcus faecalis
Arqueas:Natronobacterium gregogy,
Natronococcus.

42. Ambientes alcalinos
Lago alcalinosuelo alcalino
Suelo alcalino de Texcoco
Octopus Spring, un manatial alcalino pH 8.8
en Yellowstone National Park, USA, el agua
fluye de la fuente a 95°C .

43. Suelos alcalinos: carbonatados

44. Ambientes alcalinos no naturales
v Residuos industriales alimenticios.
v Residuos de fábricas de cemento,
alcanza un pH de 12.

45. Cianobacterias alcalofílicas extremas
Anabaena sp. Spirullina
Plectonema radiosum
Crece hasta pH 13.
Sirven de alimento
a c o l o n i a s d e
flamenco.

46. Arqueas alcalofílicas extremas y halofílicas
Son arqueas que tienen gran interés industrial,
porque de ellas se obtienen enzimas como las
proteasas y las lipasas que se usan como aditivos en
detergentes.
Fueron aislados de Lake Magadi, Kenya.
Natronobacterium gregoryi Natronococcus occultus

47. Microorganismos alcalofílicos moderados
Alcanzan pH de 8:
Aguas de los océanos
Algas diatomeas: Nitzia
Algas verdes: Chlorella,
Bacterias fotótrofa:
Chloroflexus
Bacterias: Alcalígenes,
Agrobacterium ,Vibrio y
B. alcalophilus.
Resisten pH alcalinos
sin crecer.
Mycobacterium
Microorganismos alcalodúricos

48. Bacteria fotótrofa alcalofílica moderada
Chloroflexus aurantiacus es una
bacteria filamentosa, anoxigénica
de 1 µm de diám. de fuentes
termales neutras o alcalinas.
Crece alrededor de 55 °C, y están
distribuidos en todo el mundo.
Dan una coloración amarillo-
naranja-verde, junto con otras
cianobacterias.
Muestran movimiento deslizante
y contienen sus pigmentos en
vesículas llamadas “clorosomas”

49. Bacterias alcafílicas moderadas
Alcalígenes sp.
Agrobacterium
Vibrio cholera

50. Bacillus alcalophilus
Crece a pH 9-11.5 .
Su hábitat es el suelo carbonatado y las lagunas
alcalinas.
Tiene gran interés industrial, porque producen
enzimas como las proteasas y lipasas que se usan
como aditivos en detergentes.
SERINE PROTEASE PB92 FROM BACILLUS ALCALOPHILUS, NMR, 18 STRUCTURES

51. Control de la descomposición microbiana de los
alimentos a través del uso del pH
v La acidificación para la conservación
de los alimentos (pH 3-4), como los
lácteos ácidos, almidón de maíz a
azúcar.
v Escabeche o vinagre: chiles,
pepinillos, coles, leches agrias,
yogur, leche búlgara, frutas.

52. Aplicaciones de las “Extremozimas"
Alcalófilos y acidófilos:
v Proteasas, celulasas, lipasas y pululanasas: adición a
detergentes y en el desteñido de la mezclilla.
v Proteasas, celulasas: componentes alimenticios.
v Elastasas, queratinasas Hide de-hairing
v Ciclodextrinas: estabilización de sustancias volátiles
en productos alimenticios, químicos y farmaceúticos.
v Amilasas,glucoamilasas: procesamiento del almidón.
v Oxidasas del azufre: en la recuperación de metales en
minas (lixiviación) y la desulfuración del carbón.
v Producción de ácidos orgánicos y solventes.