Рост и размножение бактерий. Фазы размножения
Бактерии, как и все живые организмы, размножаются. Происходит это чаще всего путем простого поперечного деления в различных плоскостях. При этом образуются разнообразные сочетания клеток: парные соединения, одиночные клетки, гроздья, цепочки, пакеты и др.
Некоторые микроорганизмы размножаются спорообразованием (актиномицеты и грибы) и почкованием (дрожжи), у некоторых микроорганизмов наблюдается половое размножение, но большинство из них размножается бесполым (вегетативным) путем. При благоприятных условиях размножение протекает с необыкновенной быстротой - каждые 20-30 минут материнская бактериальная клетка делится на две дочерние. Дочерняя клетка со временем становится материнской и также делится. Таким образом, деление бактерий идет в геометрической прогрессии. Если бы такое деление шло беспрепятственно, то через 48 часов одна бактерия могла бы дать потомство в сотни биллионов клеток, а через пять дней такую массу, которая заполнила бы собой бассейны всех морей и океанов. Однако этого не происходит, поскольку на микроорганизмы действуют различные факторы окружающей среды.
Делению клетки предшествует равномерное увеличение общего азота, РНК и белка в цитоплазме. Затем происходит репликация (удвоение) ДНК. В делящейся клетке между спиралями ДНК разрываются водородные связи и образуются одиночные дочерние спирали ДНК (рис.25).
Рис. 25. Процесс бинарного деления палочковидных прокариот
1 - образование одиночных спиралей ДНК;
2 - удвоение (репликация) ДНК;
3 -вытягивание клетки;
Формирование перегородки;
4 - окончание формирования перегородки и образование выпуклой клеточной стенки;
5 -разделение клеток.
Сразу после репликации ДНК начинается вытяжение клетки и образование поперечной перегородки за счет двух слоев цитоплазматической мембраны, выпячивающейся навстречу друг другу. Чаще всего перегородка образуется посередине материнской клетки, в результате чего дочерние клетки имеют примерно одинаковые размеры. Между слоями перегородки идет формирование клеточной стенки.
Одиночная спираль ДНК в новых клетках служит матрицей для создания второй спирали, в результате чего образуется двойная спираль ДНК с восстановленными водородными связями и формируется новый нуклеоид.
В процессе размножения одна из половин клетки постоянно сохраняет жгутики. На конечном этапе размножения бактерий жгутики вырастают и у другой половины.
Рост и размножение микроорганизмов зависит от различных факторов окружающей среды и видовых характеристик. Наблюдение за развитием микроорганизмов, культивируемых в жидкой питательной среде в замкнутых резервуарах, показывает, что для роста биомассы необходимы наличие источника энергии, присутствие компонентов, необходимых для синтеза биомассы, отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток, поддержание в среде необходимых физико-химических условий. В этих условиях рост микроорганизмов условно можно подразделить на несколько последовательных фаз или периодов (рис. 26):
Рис. 26. Типичная кривая роста популяции микроорганизмов 1 - лаг-фаза;
2 - фаза ускоренного роста; 3 - фаза логарифмического (экспоненциального) роста;
4 - фаза замедления роста; 5 - фаза стационарного роста; 6 - фаза старения и отмирания.
1. лаг-фаза (англ. lag - запаздывание) - период между посевом бактерий и началом размножения. В этот период происходит адаптация бактериальной культуры к питательной среде. Она проявляется в накоплении оптимального количества необходимых ферментов, в инактивации некоторого ингибитора, присутствующего в среде, в прорастании спор и др. При благоприятных условиях бактерии увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Лаг-фаза может длиться от 10 минут до нескольких часов, но в среднем она составляет 4-5 часов.
2. Фаза ускоренного роста наблюдается после лаг-фазы и характеризуется нарастанием темпов деления микроорганизмов и накопления биомассы.
3. Фаза логарифмического или экспоненциального роста является периодом наиболее интенсивного деления бактерий. Бактерии делятся каждые 20-40 минут. Во время этой фазы бактерии особенно ранимы, что объясняется высокой чувствительностью растущих клеток к факторам окружающей среды. Продолжительность экспоненциального роста зависит от концентрации питательных веществ в субстрате и в среднем составляет 5-6 часов.
4. Фаза замедления роста является переходным периодом от экспоненциального роста к фазе стационарного роста. Во время этой фазы наблюдается истощение питательных веществ субстрата и накопление в нем продуктов метаболизма, что снижает интенсивность размножения микроорганизмов.
5. Фаза стационарного роста вызывается постепенным истощением среды, накоплением в ней литических ферментов, химическим ингибированием роста микробной клетки продуктами метаболизма. Эта фаза отличается от предыдущей повышенной сопротивляемостью бактерий многим химическим и физическим факторам. К началу этой фазы количество жизнеспособных клеток достигает максимального уровня и остается на этом максимуме в течение нескольких часов в зависимости от вида микроорганизмов и особенностей их культивирования. В конце этой фазы у некоторых микроорганизмов наблюдается процесс спорообразования.
6. Завершающая фаза процесса размножения - фаза старения и гибели - характеризуется отмиранием бактерий из-за истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма. Наблюдается автолиз микроорганизмов как экстремальное проявление нестабильности клетки после прекращения роста. Продолжительность этой фазы может составлять от нескольких часов до нескольких недель.
Размножение микроорганизмов Размножение микроорганизмов
процесс воспроизведения подобных себе особей (самовоспроизведения) , обеспечивающий продолжение существования вида. Важнейшей особенностью микроорганизмов являются исключительно высокие темпы Р. в благоприятных условиях (взрывной тип Р.) и способность их очень долгое время обходиться без Р. в неблагоприятных условиях. Способы и скорость Р. обусловливаются природой (геномом) микроба и соответствием условий обитания его генетическим потребностям (источники углерода, азота, зольных элементов, ростовых факторов, достаточная для диффузии влажность, определенные показатели рН, осмотического давления, парциального давления кислорода, температуры). Если отсутствует одно или несколько условий, Р. прекращается и микроб гибнет или переходит в стадию покоя. Способы Р. микробов многообразны. Они могут быть разделены на половой - конъюгация (см.), копуляция (см.); параполовой - трансдукция (см.), трансформация (см.) и бесполый. Последний в свою очередь разграничивается на вегетативный - простое деление, почкование и множественное, деление, или шизогония (см.), и спорообразование. Главным способом Р. бактерий и многих видов грибов и простейших является простое деление (бинарное, изоморфное). При простом делении из одной бактер. клетки образуются 2 равноценные дочерние клетки без предварительного обмена генетической информацией. Этот процесс, называемый амитозом, включает фазы роста (см.), кариокинеза (удвоения нуклеоида), цитокинеза (разделения особи) и расхождения дочерних особей. В фазе роста происходит последовательное увеличение содержания РНК® белка® ДНК с возрастанием общих размеров клетки. После достижения определенной фазы роста наступает активация гена-регулятора, к-рый с помощью контролируемого им белка-инициатора снимает репрессию с гена-репликатора. Следствием этого являются синтез ДНК-полимеразы, раскручивание и расхождение нитей ДНК, достройка комплементарных нитей с образованием 2 нуклеоидов. Цитокинез осуществляется путем перетяжки (у грам- бактерий) или перегородки (у грам+ бактерий) в центре клетки. После разделения дочерние клетки расходятся или формируют колониальный организм в виде цепочек, кучек, пакетов и др. Р., как и рост, находится под контролем генома, регулирующего его с помощью пермеаз, оксиредуктаз и системы синтеза белка и НК. В норме рост и Р. строго сбалансированы и последовательны. В неблагоприятных условиях возможно разобщение этих процессов, когда рост продолжается, а Р. не наступает (несбалансированный рост). Это приводит к образованию инволюционных форм микроорганизмов (см.)
(Источник: «Словарь терминов микробиологии»)
Смотреть что такое "Размножение микроорганизмов" в других словарях:
Биологически активные вещества (ряд аминокислот, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания, стерины и др.), в отсутствии которых многие микроорганизмы не растут даже на питательных средах, содержащих необходимые источники энергии,… …
Их растворение, вызываемое различными причинами. Л. м. может происходить в результате автолиза, при котором клетки микроорганизмов, отделённые от питательной среды и сохраняемые при 35 40°С, лизируются (растворяются) под действием… … Большая советская энциклопедия
Адаптивные или дегенеративные формы бактерий, грибов и простейших, возникающие при старении или резком изменении среды обитания, напр., при появлении в среде конкурента, фага, антибиотиков, антисептиков, дезинфектантов, накоплении продуктов… … Словарь микробиологии
С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и… …
I Инфекция (позднелат. intectio заражение) сложный патофизиологический процесс взаимодействия макро и микроорганизма, имеющий широкий диапазон проявлений от бессимптомного носительства до тяжелых форм инфекционной болезни. Термин «инфекция»… … Медицинская энциклопедия
Содержание ст.: I. Сущность Д.; II. Способы Д.: А физич., Б химич., В заключение. I. Правильное понятие о дезинфекции определяется этимологией этого слова. Инфекция (infectio) значит по русски заражение. Д. (desinfectio) значит обеззараживание.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Субстраты, состоящие из компонентов, обеспечивающих необходимые условия для культивирования микроорганизмов или накопления продуктов их жизнедеятельности. Питательные среды различаются по назначению, консистенции и составу. По назначению их… … Медицинская энциклопедия
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
Стакан коровьего молока Молоко питательная жидкость, вырабатываемая молочными железами самок млекопитающих. Естественное предназначение молока вскармливание детёнышей, которые ещё не способны переваривать другую пищу. В настоящее время молоко… … Википедия
Существует 2 типа бинарного деления:
- перетяжкой — кострикция (для Г-). В начале деления в центре клетки происходит инвагинация оболочки и образование 2-х дочерних клеток.
- с помощью поперечной перегородки (для Г+).
В процессе бинарного деления образуются 2 одинаковые по размеру клетки (равновеликое бинарное деление). Имеет место симметрия продольной и поперечной оси. Разновидностью бинарного деления является множественное, оно характерно для цианобактерий.Под клеточной оболочкой происходит множественное бинарное деление, образовываются басоциты (до 1000), материнская оболочка лопается и басоциты выходят во внешнюю среду.
Разновидностью бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. Сначала образовывается почка, растет, закладывается перегородка и почка может оторваться. Симметрия наблюдается в продольной оси. Почкующиеся прокариоты имеют индивидуальность и подвержены старению. Материнский организм не меняется.
Бинарное деление может проходить в одной или нескольких плоскостях, что приводит к образованию различных морфологичных структур.
Размножение спорами
Среди прокариот существует группа м/о (актиномицеты), которые размножаются спорами (экзогенные).Артроспоры образовываются в результате деления гиф на фрагменты. Могут размножаться с помощью гиф, но он должен содержать нуклеоид. Период от деления к делению называется онтогенезом. Выделяют несколько типов вегетативного клеточного цикла:
- мономорфный цикл;
Клетка от деления к делению находится в одном морфологическом состоянии.
- диморфный цикл;
Возникают 2 морфологических вида клеток.
- полиморфный тип;
Образует несколько типов (в процессе роста меняет свою форму). Например, коринебактерии, микобактерии, артробактерии.
Под ростом м/о понимают увеличение биомассы клетки. Оно должно сопровождаться увеличением всех компонентов клетки. Если у высших организмов увеличение увеличение размера особи сопровождается увеличением числа клеток, то у бактерий различают 2 типа:
индивидуальный рост;
рост бактерии в популяции.
Индивидуальный рост — рост клетки в процессе ее онтогенеза. Размеры клеток можно определить прямым методом, с помощью микрометров, которые встроены в систему микроскопа. А также косвенный метод, который позволяет измерять негативные изображения микрофотографий. Ошибка — 10-15%. Существуют формулы измерения объема сферической клетки:
Для эллипсоидных:
Где а — малая диагональ (половина ширины клетки), b — большая диагональ (половина длинны клетки).
Для цилиндрических клеток:
Цилиндрические формы с закругленными концами:
Скорость роста клетки определяется во многом внешними данными. Чем более оптимальная среда, тем выше скорость роста. При постоянных условиях — рост постоянный.
Где V — объем клетки в момент времени t, V0 — начальный объем клетки, С — постоянная скорость роста, е — основание натурального логарифма, t — время наблюдения.
Рост бактерий в бактериальной популяции
Популяция — совокупность бактерий одного вида или нескольких видов (смешанная ассоциация), которые развиваются в ограниченном пространстве в закрытой или замкнутой системе. Культивирование м/о в закрытой системе — периодическое культивирование. Развиваясь в закрытой системе, популяция м/о ведет себя как многоклеточный организм, имеющий генетическое ограничение роста.Рост бактерий в бактериальной популяции можно представить в виде графика, в котором можно показать зависимость числа клеток от времени (кривая роста).
В кривой можно выделить несколько фаз.
1. Лаг-фаза (начальная). Количество клеток не изменяется. В этот период идет адаптация клеток к тем условиям, в которые они были помещены. Клетки синтезируют индуцибельные ферменты, с помощью которых клетки утилизируют источники питания. Длительность фазы зависит от возраста (молодые клетки растут быстрее), биологических особенностей культуры, полноценности питательной среды.
2. Фаза задержки размножения. Скорость размножения не велика.
3. Фаза логарифмического роста. Самая максимальная скорость размножения. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии.
Зная n и t, можно узнать время одной генерации:
Константа скорости размножения:
Иногда встречаются 2 лаг- и лог-фазы (диауксия, которая связана с тем, что в ПС могут находиться 2 источника питания, например, глюкоза и сорбит и м/о сначала будут утилизировать глюкозу).
4. Фаза отрицательного ускорения. Замедление размножения клеток.
5. Фаза стационарного роста. Скорость роста равна скорости отмирания клеток, то есть количество клеток не увеличивается.
Причиной отмирания является истощение питательных компонентов, изменение рН среды, накопление продуктов метаболизма и т.д. Количество клеток, которое культура достигает в стационарной фазе — макимальное. Это количество клеток называется урожаем.
Определяется объемом среды, плотностью или количеством клеток и условиями культивирования.
Фаза ускоренной гибели.
Скорость отмирания больше, чем скорость размножения, но она не достигает максимума.
7. Стадия логарифмической гибели. Культура либо погибает, либо переходит в состояние анабиоза.
В промышленном масштабе используют непрерывное культивирование при сохранении полной стерильности систему делают открытой. Вносят питательные компоненты и убирают продукты метаболизма. Это необходимо для того чтобы поддерживать культуру в определенной стадии роста.
Например: а/к, которая продуцируется м/о в логарифмической фазе роста. Можно регулировать состояние путем контроля плотности клеток, и путем потребления основных источников углерода и азота. Если происходит контроль развития культуры по плотности, то культуру выращивают в турбидостатах, если по источнику питания — хемостата.
Получение синхронных культур
Синхронные культуры — совокупность клеток, которые делятся одновременно за счет одинаковой готовности к росту и делению всех клеток.Методы синхронизации культуры.
Можно использовать центрифугирование, чтобы отделить крупные клетки от мелких. Химико-биологический метод — вынужденное голодание клеток на неполноценных средах с последующим переносом их на полноценные ПС. Культура начинает синхронно делится. Используется в научных исследованиях.
Рост бактерий происходит в результате множества взаимосвязанных биохимических реакций , осуществляющих синтез клеточного материала. У бактерий различают индивидуальный рост бактериальной клетки и рост бактерий в популяции.
Об индивидуальном росте судят по увеличению размеров отдельных особей. Скорость роста зависит от внешних условий и физиологического состояния самой клетки. При постоянных условиях рост осуществляется с постоянной скоростью. Палочковидные бактерии растут преимущественно в направлении длинной оси, кокки растут равномерно во всех направлениях. В промежутке между клеточными делениями бактерии имеют большие размеры, чем сразу после деления.
Размножение бактерий
Наиболее часто бактерии размножаются путем бинарного деления, когда из одной клетки образуется две, каждая из которых вновь делится. Процессу деления всегда предшествует репликация (удвоение) ДНК . Существует два типа деления - деление перетяжкой (перешнуровывание) и с помощью поперечной перегородки (рисунок А.7) .
Деление перетяжкой (констрикция) сопровождается сужением клетки в месте ее деления, и в этом процессе принимают участие все слои клеточных оболочек. Выпячивание оболочек внутрь клетки все более ее сужает и, наконец, делит на две. Это деление присуще грамотрицательным бактериям . Деление с образованием поперечной перегородки присуще грамположительным бактериям. Однако у некоторых групп бактерий отмечена смена способов деления (тионовые бактерии, микобактерии). У шаровидных бактерий может образовываться несколько поперечных перегородок (тетракокки, сарцины). Почкование убактерий является разновидностью бинарного деления. Этот способ размножения присущ бактериям, имеющим диморфные или полиморфные клеточные циклы. Почкующимся бактериям присуща полярность клеток. Некоторые бактерии размножаются с помощью экзоспор (но не эндоспор!), некоторые - фрагментами гиф (актиномицеты). У некоторых бактерий имеются половые ворсинки, или F-пили.
Период от деления до деления называется клеточным циклом . Различают несколько типов вегетативного клеточного цикла: мономорфный - образуется только один морфологический тип клеток (например, бациллы), диморфный - два морфологических типа клеток, полиморфный - несколько (актиномицеты). При диморфном и полиморфном циклах различают дочерние и материнские клетки.
Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения. Например, в благоприятных условиях кишечная палочка делится каждые 20-30 мин, за сутки это дает 2 72 , т.е. 72 поколения. В условиях, исключающих гибель, эта биомасса составит 4720 т. Скорость размножения зависит от факторов внешней среды (температуры, условия питания, влажность, реакция среды и др.) и от видовых особенностей бактерий. Высокая скорость размножения бактерий обеспечивает их сохранение на земле даже в условиях массовой гибели. Сохранившиеся отдельные клетки размножаются и вновь дают поколение.
Рост бактерий в популяции. Популяция (фр. population - население) - это совокупность бактерий одного вида (чистая культура) или разных видов (смешанная ассоциация), развивающихся в ограниченном пространстве (например, в питательной среде). В бактериальной популяции постоянно происходит рост, размножение и отмирание клеток. Культивирование микроорганизмов в искусственных условиях бывает периодическим, непрерывным и синхронным.
Периодическое (стационарное) культивирование происходит без притока и оттока питательной среды. Оно характеризуется классической кривой роста микроорганизмов, в которой выделяют отдельные фазы роста бактериальной популяции, отражающие общую закономерность роста и размножения клеток.
Лаг-фаза (англ. lag - отставание) начинается с момента посева бактерий в свежую питательную среду. Клетки адаптируются к данным условиям культивирования, растут, но не размножаются, они достигают максимальной скорости роста. Абсолютная и удельная скорость роста увеличиваются от нуля до максимально возможных значений.
Абсолютная скорость роста определяется отношением:
V = dx/dt , (1.1)
где V - прирост биомассы или числа клеток, выражается в массовых единицах, числе клеток или в условных единицах в единицу времени.
х - биомасса или число клеток;
t - время.
Удельная скорость роста определяется по формуле:
µ = (dx/dt) ? 1/х , (1.2)
где µ - прирост биомассы е единицу времени на единицу биомассы,
х - начальная биомасса.
Продолжительность лаг-фазы зависит от биологических особенностей бактерий, возраста культуры, количества посевного материала, состава питательной среды, температуры, аэрации, рН и др. Одни бактерии обладают коротким периодом задержки роста, другие длинным. Чем моложе культура, тем период короче. Чем состав питательной среды ближе к тому, в котором выращивали микроорганизмы, тем короче лаг-фаза. Изменения в питательной среде приводят к изменению лаг-фазы, так как необходимо время для синтеза ферментов, либо повышения их активности. Таким образом, факторы задержки роста можно разделить на внешние (состав среды, рН, температура и др.) и внутренние (возраст культуры). Длительность фазы моет быть от нескольких минут до нескольких часов и даже дней. В этой фазе μ = 0.
Лог-фаза (логарифмическая , или экспоненциальная ) характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Общее количество бактерий определяется по формуле:
N = N 0 ?2 n , (1.3)
где N и N 0 - общее количество клеток в конце фазы и в начале фазы соответственно;
n - число поколений, или генераций.
В микробиологической практике для выражения общего числа микробных клеток чаще всего пользуются не абсолютными числами (так как они достигают огромных величин), а их логарифмами. Прсле логарифмирования уравнения (1.3): lg N = lg N 0 + n?lg2, n?lg2 = lg N - lg N 0 , отсюда число поколений равно: n = (lg N - lg N 0)/ lg2
Скорость размножения одной клетки, или период генерации:
g = t/n , (1.4)
где t - время;
n - число поколений;
g - период генерации.
Значит: g = t ?lg 2 / (lg N - lg N 0) (1.5)
Приведенные уравнения основаны на предположении, что в лог-фазе все 100% клеток жизнеспособны. Однако экспериментально установлено, что около 20% клеток даже в эту фазу отмирает, поэтому в приведенные формулы вносится поправка - вместо 2 берется 1,6.
Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:
Х = Х 0 ? е μ max ? t , (1.6)
где Х и Х 0 - количество клеток (или биомасса) в конце и в начале опыта соответственно;
t - время опыта;
е - основание натурального логарифма;
μ max - максимальная удельная скорость роста.
В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды. В этой фазе μ = max.
Фаза замедленного роста . Она объединяет две фазы - фазу линейного роста (μ = const) и фазу отрицательного ускорения . Фаза характеризуется в период линейного роста постоянной скоростью прироста биомассы (числа клеток). Затем при переходе в фазу отрицательного ускорения численность делящихся клеток уменьшается. Наступление фазы объясняется количественными изменениями состава питательной среды (потребление питательных веществ, накопление продуктов метаболизма).
Стационарная фаза характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Факторы, лимитирующие рост бактерий в предыдущей фазе, являются причиной возникновения стационарной фазы. Прироста биомассы нет (μ = 0) . В этой фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток. Эти максимальные величины называются урожаем , или выходом .
Фаза отмирания (экспоненциальной гибели клеток ) характеризуется уменьшением числа живых клеток, возрастанием гетерогенности популяции (появляются клетки, не воспринимающие краситель, со слабым развитием муреинового слоя и др.). Процесс отмирания превалирует над делением (μ < 0).
Фаза выживания характеризуется наличием отдельных клеток, сохранивших в течение длительного времени жизнеспособность в условиях гибели большинства клеток популяции. Выжившие клетки характеризуются низкой активностью процессов метаболизма, изменением ультраструктуры клеток (мелкозернистая цитоплазма, отсутствие полирибосом и др.). Клетки более устойчивы к неблагоприятным условиям среды.
Таким образом, при стационарном культивировании микробные клетки все время находятся в изменяющихся условиях: сначала имеются в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает их недостаток, затем отравление клеток продуктами метаболизма.
Влияние лимитирующих факторов на скорость роста . Для нормального роста и развития микроорганизмов среда должна содержать необходимые элементы питания, иметь соответствующую рН, температуру и т.д. Факторы, ограничивающие рост культуры, называются лимитирующими . Характерная особенность роста популяции микроорганизмов - зависимость удельной скорости роста от концентрации субстрата. Эта зависимость выражается уравнением Моно , представляющим собой гиперболическую функцию:
μ = μ max ? S/(S + K S) , (1.7)
где μ - удельная скорость роста;
μ max - максимальная удельная скорость роста;
S - концентрация субстрата;
K S - константанасыщения, численно равная такой концентрации субстрата, которая обеспечивает скорость роста, соответствующую половине значенияμ max .
По мере потребления питательных веществ среда обогащается продуктами обмена, которые также лимитируют рост культуры. Наиболее общий случай влияния концентрации субстрата и продуктов обмена на скорость роста популяции микроорганизмов нашел отражение в модели Н.Д. Иерусалимского:
μ = μ max ? S/(S + K S) ? К Р / (К Р + Р) , (1.8)
где Р - концентрация продуктов обмена;
К Р - константа, численно равная такой концентрации продуктов обмена, при которой скорость роста замедляется вдвое.
Анализ этого уравнения показывает, что при условии К Р >> Р, когда величиной Р можно пренебречь. скорость роста ограничена только концентрацией субстрата. Если S >> K S , то скорость роста лимитирована накоплением продуктов обмена.
Непрерывное культивирование . Если в емкость, где находится бактериальная популяция, непрерывно подавать свежую питательную среду и одновременно с такой же скоростью выводить культуральную жидкость, содержащую бактериальные клетки и продукты метаболизма, то получается непрерывное культивирование. Регулируя скорость проточной среды, можно управлять ростом бактериальной популяции, например, удлинять логарифмическую или стационарную фазу на любое необходимое время. Непрерывное культивирование осуществляется в специальных приборах - хемостатах и турбидостатах. Непрерывное культивирование микроорганизмов используется для изучения их физиологии, биохимии, генетики и др., а также широко используется в микробиологической промышленности.
Синхронные культуры - это культуры, в которых некоторое время все клетки делятся одновременно (синхронно) за счет одинаковой готовности к делению всех особей. Синхронизация достигается физическими и химико-биологическими методами. К физическим методам относится температурное воздействие, дифференциальное центрифугирование или дифференциальное фильтрование, химико-биологическим - вынужденное голодание бактерий, выращивание бактерий на неполноценных средах с последующим переносом их в полноценные среды. Синхронные культуры используются для генетических и цитологических исследований, для изучения синтеза отдельных клеточных компонентов в процессе деления бактерий.
Рост и размножение микроорганизмов
Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска -клеточной пластины.
Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.
Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).
Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лаг-фазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.
Рост бактериальной клетки. Увеличение биомассы клеточной протоплазмы, возникающее в результате синтеза пластического материала в процессе питания, называется ростом. Микробы растут быстро, достигая в течение короткого времени предела своей физиологической зрелости.
Рис.1. Цикл развития сенной палочки
1 - молодая сенная палочка; 2 - сенная палочка, сбросившая жгутики; 3 - деление цепочки клеток; 4 - образование жгутиков у цепочек; 5 - образование спор
Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции ― культуры. Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечные ДНК, обладающие генетической информацией. Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.
Рис.2. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий
а - стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), × 32 000; б - кишечной палочки - в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 - клеточная стенка, 2 - цитоплазматическая мембрана, 3 - нуклеоид; × 22 000.
Размножение ― бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дизъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов ― нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.
Бактериальные клетки быстрее делятся в начальных стадиях роста популяции. В более поздних стадиях деление идет медленнее, часть материнских клеток отмирает, и у отдельных видов бактерий появляются разнообразные включения.
В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15―20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.
При таком размножении микробные клетки могли бы покрыть всю поверхность не только морей, океанов, но и материков. Следовательно, жизнь людей на нашей планете была бы невозможной. Однако в размножении микробов не существует абсолютного закона геометрической прогрессии. На их рост и размножение отрицательное влияние оказывают антагонистические взаимоотношения микроорганизмов, истощение питательной среды, кислородная недостаточность, накопление ядовитых продуктов жизнедеятельности микробов. Эти факторы препятствуют непрерывному делению клеток.
Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В ― 1,5 млрд., бактерии дизентерии Григорьева― Шига и стафилококков―300 млрд., палочки брюшного тифа ― 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-концентрацией (М ― максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-концентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентрацию,― лишние погибают.
Размножение бактерий в популяции
Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.
При выращивании микробов на плотных питательных средах выявляются некоторые особенности их роста, т. е. появляются колонии, представляющие потомство одной или нескольких клеток. Внешний вид колоний, их форма, цвет, прозрачность, величина и другие свойства являются отличительными признаками для каждого вида бактерий. Ряд видов бактерий, имеющих жгутики, на агаре дают сплошной рост, покрывающий всю поверхность чашки (вульгарный протей). Спорогенные виды отличаются по характеру колоний, образуя непрозрачные колонии с матовой поверхностью.
Рост бактериальных клеток в жидких питательных средах характеризуется единообразием, чего нет на плотных питательных средах. Однако и при этом методе можно наблюдать некоторые особенности роста бактерий. Виды, образующие сухие колонии на плотных средах, дают разнообразные осадки в прозрачном бульоне. Виды, образующие мягкие и влажные колонии, в основном дают гомогенный рост, равномерно мутящий питательную среду.
Для культуры, растущей в жидкой среде, аэрация имеет большое значение. Известно, что в пробирках или колбах только верхние слои жидкости соприкасаются с атмосферным воздухом, и в силу этого некоторые облигатные аэробы, например, микобактёрии туберкулеза, холерный вибрион и др., скапливаются на поверхности, образуя нежную пленку.
Фазы роста бактериальной популяции
В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.
В исходной фазе (отрезок I) происходит приспособление бактерий к новым условиям обитания с момента их посева на питательную среду. В этой фазе бактерии не размножаются. Длительность исходной фазы― 1―2 часа.
Начальная фаза размножения (отрезок II) характеризуется усилением обменных процессов, скоростью роста и делением клеток. Однако размножение бактерий происходит медленно. Продолжительность этой фазы ― 2 часа.
В логарифмической фазе (отрезок III) наблюдаются ускоренный рост и деление клеток. В этой фазе максимального размножения формируются типичные для каждого вида бактерий морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и вирулентные свойства. Длительность фазы ― 5―6 часов.
Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются, - выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.
Стационарная фаза (отрезок V) характеризуется постоянной концентрацией живых клеток в питательной среде. Умеренное размножение клеток не приводит к увеличению микробной массы. В этой фазе устанавливается равновесие между количеством погибающих и возникающих клеток. Продолжительность фазы ― 2 часа.
Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4―5 часов.
В фазе логарифмической гибели (отрезок VII) массовое отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность фазы около 5 часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания (отрезок VIII) характерна тем, что оставшиеся в живых бактерии переходят в состояние покоя.
Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15―20 минут, брюшнотифозные бактерии ― 20―25 минут, стрептококки ― 25―30 минут, микобактёрии туберкулеза―18― 20 часов.
Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2―
3 дня, а кишечной палочки ― месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.
Загрузка...
