Рост бактерий - это увеличение количества, массы и размеров всех микробной клетки, начинающийся сразу после ее деления. Рост неразрывно связан с размножением.
Размножение у бактерий – процесссамовоспроизведения микробной клетки. Он начинается сразделения ДНК нуклеоида на две дочерние нити, каждая из которых затем достраивается комплементарной нитью, при этом одновременно происходит образование двух дочерних клеток (полуконсервативный способ). Бактерии размножаются поперечным делением срезким увеличением количества клеток в популяции, процесс повторяется через одинаковые промежутки времени (от нескольких минут до нескольких суток), являясь индивидуальной генетической характеристикой микробного вида. При делении могут образовываться либо две одинаковые клетки, либо две асимметричные (полиморфные).
Бактерии отличаются высоким темпом размножения на различных питательных средах, который характеризуется временем генерации. Это время между двумя делениями клетки, проходящее от момента появления клетки до момента деления (например, время генерации кишечной палочки - 20 мин, возбудителя туберкулеза - 14 час). Скорость размножения зависит от вида бактерий и условий культивирования (химического состава питательной среды, её агрегатного состояния, рН, температуры, аэрации, газового состава, наличия питательных веществ и стимуляторов роста и т. д.). При размножении бактерий на плотных питательных средах, они образуют колонии - потомство одной клетки, визуально определяемое на (или в) питательной среде. Изолированные колонии являются скоплениями микробов одного вида, и, как правило, одного клона.
Внешний вид колоний у некоторых бактерий может быть весьма своеобразным, являясь типичным для некоторых микроорганизмов. Так, например, колонии возбудителя сибирской язвы сравнивают с «гривой льва» или «головой медузы», колонии возбудителя чумы похожи на «кружевной платок» и т.д.
Для характеристики колоний, растущих на питательных средах, применяется ряд стандартных параметров - макроскопическая характеристика.
По форме колонии бывают правильные - округлые, или неправильные - амебовидные и ризоидные, напоминающие переплетающиеся корни деревьев. В зависимости от размеров выделяют колонии точечные (диаметр меньше 1 мм), мелкие (диаметр I - 2 мм), средние (диаметр 2 - 4 мм) и крупные (диаметр 4 - 6 мм и более).
Цвет определяется видом пигмента (белый, желтый, красный и др. – рис 25 - приложение). Пигментированные колонии, например, встречаются у стафилокока (белый, лимонно-жёлтый или золотистый), у сарцин цвет пигмента жёлтый, у бактерий рода Serratia красный, у дрожжеподобных грибов Candida albicans белый. Многие патогенные бактерии пигмента не образуют - их колонии прозрачные или опалесцирующие.
По консистенции колонии бактерий чаще бывают мягкие, слизистые или плотные, крошковидные. По характерукраев различают ровные края в виде четко выраженной линии и неровные - фестончатые и волнистые. Поверхность колоний бывает матовая или блестящая с глянцем, сухая или влажная, гладкая или шероховатая. Гладкие колонии обозначают буквой S (smooth - гладкие), шероховатые буквой R (rough - шероховатый).
При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается последовательная смена отдельных фаз в размножении бактериальной популяции(рис. 9):
1. Начальная фаза (лаг-фаза). Размножения клеток не происходит; микробы адаптируются к питательной среде, увеличиваются в размерах, накапливают ферменты, начинается репликация ДНК. В конце фазы начинается медленное размножение микробов.
2. Экспоненциальная фаза (лог-фаза) характеризуется максимальной скоростью размножения, при этом число бактерий увеличивается в геометрической прогрессии.
3. Стационарная фаза, при которой наблюдается равновесие между количеством вновь образовавшихся клеток и количеством погибших.
4. Фаза отмирания. В эту фазу происходит гибель клеток.
Величину биомассы определяют по ее сухой массе, а также содержанию бактериального азота, белка, ДНК, фосфора.
Размножение — это увеличение числа особей. Наиболее распространенное — бинарное деление, в результате которого материнская клетка делится с образованием 2-х дочерних. Процессу деления предшествует репликация ДНК.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.
Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом -- формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением -- самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.
Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные -- путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.
Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра -- нуклеоида.
Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и терминация.
Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, не изменяющийся объем питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру -- периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путем непрерывной подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, то такое культивирование называется непрерывным, а культура -- непрерывной.
При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жидкой питательной среде, подразделяют на несколько фаз, или периодов :
- 1. лаг-фаза;
- 2. фаза логарифмического роста;
- 3. фаза стационарного роста, или максимальной концентрации
бактерий;
4. фаза гибели бактерий.
Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кривой размножения бактерий, отражающей зависимость логарифма числа живых клеток от времени их культивирования.
Лаг-фаза -- период между посевом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-фазы в среднем 4--5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению; нарастает количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов.
Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий. Продолжительность ее около 5-- 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20--40 мин. Во время этой фазы бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью компонентов метаболизма интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др.
Затем наступает фаза стационарного роста , при которой количество жизнеспособных клеток остается без изменений, составляя максимальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность выражается в часах и колеблется в зависимости от вида бактерий, их особенностей и культивирования.
Завершает процесс роста бактерий фаза гибели , характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель. Интенсивность роста и размножения бактерий зависит от многих факторов, в том числе оптимального состава питательной среды, окислительно-восстановительного потенциала, рН, температуры и др.
Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные колонии округлой формы с ровными или неровными краями (S- и R-формы), различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий.
Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питательную среду и окрашивают её. Другая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях. И, наконец, существуют пигменты, не растворимые ни в воде, ни в органических соединениях.
Наиболее распространены среди микроорганизмов такие пигменты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины являются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красного цвета, синтезирующимися из фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксидцисмутазой и пероксидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикробным, антибиотикоподобным действием.
Одним из проявлений жизнедеятельности микроорганизмов является их рост и размножение.
Рост - это увеличение размеров отдельной особи.
Размножение - способность организма к воспроизведению.
Основным способом размножения у бактерий является поперечное деление, которое происходит в различных плоскостях с формированием многообразных сочетаний, клеток (гроздья, цепочки, тюки и т. д.). У бактериальных клеток делению предшествует удвоение материнской ДНК. Каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК. Процесс деления считается законченным, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегородкой. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате действия ферментов, которые разрушают сердцевину перегородки.
Скорость размножения бактерий различна и зависит от вида микроба, возраста культуры, питательной среды, температуры.
При выращивании бактерий в жидкой питательной среде наблюдается несколько фаз роста культур:
1. Фаза исходная (латентная) - микробы адаптируются к питательной среде, увеличивается размер клеток. К концу этой фазы начинается размножение бактерий.
2. Фаза логарифмического инкубационного роста - идет интенсивное деление клеток. Длится эта фаза около 5 часов. При оптимальных условиях бактериальная клетка может делиться каждые 15-30 мин.
3. Стационарная фаза - число вновь появившихся бактерий равно числу отмерших. Продолжительность этой фазы выражается в часах и колеблется в зависимости от вида микроорганизмов.
4. Фаза отмирания - характеризуется гибелью клеток в условиях истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма микроорганизмов.
5ч 10 15 20 25 30 35 40 45 Время нед нед
Если питательная среда, в которой культивируются микроорганизмы, будет обновляться, то можно поддерживать фазу логарифмического роста.
При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют на поверхности среды и внутри нее типичные для каждого микробного вида колонии. Колонии могут быть выпуклыми или плоскими, с ровными или неровными краями, с шероховатой или гладкой поверхностью и иметь различную окраску: от белой до черной. Все эти особенности (культуральные свойства) учитывают при идентификации бактерий, а также при отборе колоний для получения чистых культур. Чтобы знать, как получить чистую культуру того или иного микроорганизма, надо внимательно ознакомиться с практической частью данной главы.
§ 5. Пигментообразование у бактерий
Образование пигментов происходит при хорошем доступе кислорода и определенном составе питательной среды. По химическому составу и свойствам пигменты неоднородны и подразделяются на:
Растворимые в воде (пиоцианины синегнойной палочки);
Растворимые в спирте;
Нерастворимые в воде;
Нерастворимые в воде и спирте.
Бактерии могут образовывать пигменты разного цвета:
красный - Serratia marcescens; кремовый - Staphilococcus aureus; желтый - Scifreus; синий - синегнойная палочка и т. д.
Пигменты бактерий защищают их от природной ультрафиолетовой радиации, участвуют в процессах дыхания, реакциях синтеза, обладают антибиотическим действием.
Фотогенные бактерии, т. е. бактерии, способные светиться, - это своеобразная форма освобождения энергии при окислительных процессах. Чем сильнее приток кислорода, тем сильнее свечение бактерий.
Светящиеся бактерии называют «фотобактериями». К ним относится большая группа физиологически сходных, но морфологически различимых бактерий (кокки, палочки, вибрионы). Они являются не образующими спор вибрионами. Большая часть видов светящихся бактерий выделена из морской воды; они не вызывают гниения, культивируются в обычных средах. Из некоторых бактерий были получены экстракты, испускающие свет в темном помещении, из некоторых экстрактов был выделен люциферин и фермент люцифераза.
Типичный представитель фотогенных микробов Photobacterium phosphoreum - неподвижная кокковидная бактерия, развивающаяся при температуре 28 °С.
Патогенных для человека видов в группе фотогенных бактерий не установлено.
Аромат-образующие микробы - микроорганизмы, которые обладают способностью выделять летучие вещества, вырабатываемые ими в процессе жизнедеятельности. Они образуют уксусно-этиловый и уксусно-амиловый эфиры.
Ароматические свойства вин, молочных продуктов, почвы, сена и других веществ зависят от деятельности некоторых видов микроорганизмов. Ароматичность молочным продуктам, особенно маслу, придает такая бактерия, как Теисо-nostos cremoris.
С помощью микробов путем сбраживания навоза, растительных остатков и бытовых отходов получают метан, который используется во многих странах для отопления помещений.
Промышленные предприятия уже начали выпуск микробного белка, используемого для корма животных и птиц. С помощью микробов можно получить витамины, ферменты (амилазу, лактозу, пенициллиназу, протеазы.)
Патогенные представители вырабатывают ядовитые для человека и животных вещества - токсины, которые делятся на 2 группы:
1. Экзотоксин - белки, которые клетка выделяет во внешнюю среду, обладает выраженными иммуногенными и антигенными свойствами. Часто они состоят из двух фрагментов - А и В. В-фрагмент способствует адгезии, инвазиии. А - обладает выраженной активностью по отношению к внутренним системам клетки.
2. Эндоксин - тесно связан с телом микробной клетки, так как локализуется в липополисахаридном слое клеточной стенки. Действие эндоксинов на организм не отличается специфичностью. Эндоксины освобождаются при разрушении микробной клетки.
Подробнее о свойствах токсинов можно узнать из главы «Учение об инфекции».
Рост и размножение бактерий
Рост бактерий происходит в результате множества взаимосвязанных биохимических реакций, осуществляющих синтез клеточного материала, что приводит к увеличению количества всех химических компонентов. У бактерий различают индивидуальный рост бактериальной клетки и рост бактерий в популяции.
Индивидуальный рост бактерий . О нем 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, поэтому соотношение между поверхностью клетки и ее объемом при росте клеток существенно не изменяется, и это создает постоянные условия снабжения каждой части клетки питательными веществами и кислородом. Кокки растут равномерно во всех направлениях, увеличивая размеры радиуса клетки, при этом относительная величина поверхности клетки падает, поэтому условия снабжения каждой части клетки становятся все более неблагоприятными. В промежутках 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 ДНК. Существует два типа деления – деление перетяжкой (перешнуровывание) и с помощью поперечной перегородки (рисунок 1.9).
Рисунок 1.9 – Деление бактерий
А - деление перетяжкой; Б - деление поперечной перегородкой; КС – клеточная стенка; ЦМ – цитоплазматическая мембрана; Н – нуклеоид; П – перетяжка
Деление перетяжкой (констрикция) сопровождается сужением клетки в месте ее деления, и в этом процессе принимают участие все слои клеточных оболочек. Выпячивание оболочек с обеих сторон внутрь клетки все более ее сужает и, наконец, делит на две. Так делятся многие 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).
Период от деления до деления называется клеточным циклом (онтогенез бактерий). Различают несколько типов вегетативного клеточного цикла: мономорфный – образуется только один морфологический тип клеток (например, бациллы), диморфный – два морфологических типа, полиморфный – несколько, каждый из которых характеризуется определенными и постоянными особенностями клеточного цикла (например, актиномицеты). При диморфном и полиморфном циклах различают дочерние и материнские клетки.
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!), фрагментами гиф (актиномицеты). Есть бактерии, у которых имеются половые ворсинки, или F-пили (англ. fertility –фертильность, плодовитость), обусловленные наличием полового фактора.
Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения. Например, при благоприятных условиях кишечная палочка делится каждые 20…30 мин, за сутки из одной клетки проучится 2 72 (72 поколения). В условиях, исключающих гибель, такая биомасса составит 4720 т. Скорость размножения зависит от факторов внешней среды (температура, 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 . Это 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 (рисунок 1.10).
Рисунок 1.10 – Кривая роста и развития бактериальной популяции
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;.
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.
Логарифмическая , или экспоненциальная , или лог-фаза , характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:
Х = Х о ∙ е μ max ∙ t , (1.3)
где Хи Х о - количество клеток (или биомасса) в конце и в начале опыта;
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.Эта фаза многостадийна, так как в начале ее бактерии растут в среде с избытком субстрата, затем концентрация его понижается, изменяется активность ферментов, возрастает содержание клеточных метаболитов. Кроме того, на рост бактерий оказывают влияние многие факторы: видовые особенности бактерий, характер питательной среды и концентрация ее отдельных компонентов, температура культивирования.
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 . Одним из ограничивающих факторов является максимальная концентрация клеток в единице объема питательной среды. У разных видов бактерий эта величина значительно варьирует. В стационарной фазе клетки характеризуются несбалансированным ростом (клеточные компоненты синтезируются с различной скоростью), уменьшением интенсивности обменных процессов, более высокой устойчивостью к физическим и химическим воздействиям.
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), (1.4)
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), (1.5)
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.
Хемостаты . Рост бактерий регулируется концентрацией субстрата. Поддерживая постоянную концентрацию одного из необходимых субстратов (источник азота или углерода), путем регулирования скорости протока среды, можно сбалансировать скорость роста культуры. Скорость изменения величины биомассы клеток в хемостате равна разности между скоростью прироста биомассы и скоростью выноса ее из культиватора. Плотность популяции остается постоянной, если μ=D (удельная скорость роста равна коэффициенту разбавления), т.е. потеря клеток в результате вымывания и прирост их в результате размножения уравновешивается.
Турбидостаты .Принцип работы основан на регулировании скорости потока среды плотностью популяции. Плотность популяции контролируется фотоэлементом, соединенным с реле, регулирующим подачу среды. Когда плотность популяции достигает заданного уровня, реле срабатывает и в культиватор поступает свежая среде. В результате концентрация клеток уменьшается до определенного уровня и затем автоматически отключается подача среды.
Турбидостатный контроль может быть основан на других метолах определения биомассы, либо продуктов, образующихся в процессе роста бактерий (например, рН-статный способ управления скорости потока, использование оксистата– управление скоростью потока по скорости потребления кислорода и др.).
Непрерывное культивирование микроорганизмов используется для изучения их физиологии, биохимии, генетики и др., а также широко используется в микробиологической промышленности.
Синхронное культивирование. 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. Физические методы - это температурное воздействие, дифференциальное центрифугирование или дифференциальное фильтрование и др. Химико-биологические методы: 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.
