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.

Рост – это согласованное увеличение всех компонентов клетки, результат роста – размножение.

Размножение бактерий – увеличение числа клеток в популяции.

В процессе роста бактериальная клетка увеличивается в 2-3 раза, она интенсивно окрашивается и накапливается РНК. В благоприятных условиях рост заканчивается размножением. У бактерий размножение происходит делением пополам – бинарное деление – основной способ размножения.

Кривая роста характеризует рост и размножение бактерий в определенных условиях среды. Кривую роста получают при изучении периодической культуры.

Периодическая культура – это популяция м/о которая развивается в ограниченном объеме среды без поступления питательны веществ.

1фаза – начальная – бактерии растут, но не размножаются

2 фаза – фаза логарифмического роста – бактерии интенсивно размножаются, их число увеличиваемся в логарифмической прогрессии.

3 фаза – стационарная – размножение – равно смертности

4 фаза – отмирания – накапливаются продукты метаболизма, истощается питательные вещества и бактерии погибают.

Внешние факторы могут оказывать:

бактериостатическое действие – подавлять размножение и рост бактерий

бактерицидное действие – вызывать гибель бактерий

Размножение бактерий.

Начинается с репликации (удвоения) генома, а затем происходит деление.

У бактерий вегетативная репликация – информация передается от родительской клетки к дочерней.

У бактерий репликация саморегулируемая – геноме есть гены, ответственные за репликацию.

Репликация носит полуконсервативный характер – дочерние клетки получают равномерно распределяющийся генетический материал (одна нитка ДНК материнская, вторая – новосинтезированная).

Репликация начинается с определенной точки, от которой происходит раскручивание ДНК, образуется репликационная вилка, синтезируется SSBбелок, который препятствует повторному скручиванию нитей. Процесс осуществляется ДНК полимеразой, которая способна присоединять комплиментарные нуклеотиды к свободному 3" концу.

Синтез комплиментарных участков запускается заправкой праймером. Это участок РНК, комплиментарен матричной ДНК и у праймера имеется свободный 3" конец. Заправка праймером запускает синтез ДНК, на матрице строятся фрагменты Оказаки, которые сшиваются в единую нить ДНК-лигазами. В бактериальной клетке образуются 2 идентичные нити ДНК, которые растаскиваются по полюсам клетки и после репликации запускается деление бактерий.

Деление начинается с удлинения цитоплазматической мембраны, формируется межклеточная перегородка по экватору, по которому бактерия бинарно делится и образуются 2 идентичные дочерние клетки.

Показатели роста и размножения бактерий:

Увеличение размеров клетки

Концентрация бактерий – число клеток в 1 мл

Плотность бактерий – масса бактерий в мг на мл

Время генерации – время, за которое число клеток удваивается.

22. Культивирование и методы выделения чистой культуры аэробов и анаэробов.

Культивирование м/о – это получение большого числа бактерий на питательной среде.

Цель культивирования: Изучение микробиологических свойств, Для диагностики инфекций и Для получения биопрепарата из бактерий или полученные с помощью бактерий.

Условия культивирования бактерии:

Наличие полноценной питательной среды.

Оптимальная t (≈37 0 C)

Атмосфера культивирования (есть O 2 или без него).

Время культивирования – видимый рост через 18-48 часов, или для некоторых 3-4 недели (tbc)

Освещенность питательной среды для фотосинтезирующих (растут только в присутствии света).

Вперед >>>

1. Рост и размножение бактерий

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы , и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия. Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам.

Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.

На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток – колонии, различные по размерам, форме, поверхности, окраске и т. д. На жидких средах рост бактерий характеризуется образованием пленки на поверхности питательной среды, равномерного помутнения или осадка.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки . Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Фазы размножение бактериальной клетки на жидкой питательной среде:

1) начальная стационарная фаза; то количество бактерий, которое попало в питательную среду и в ней находится;

2) лаг-фаза (фаза покоя); продолжительность – 3–4 ч, происходит адаптация бактерий к питательной среде, начинается активный рост клеток, но активного размножения еще нет; в это время увеличивается количество белка, РНК;

3) фаза логарифмического размножения; активно идут процессы размножения клеток в популяции, размножение преобладает над гибелью;

4) максимальная стационарная фаза; бактерии достигают максимальной концентрации, т. е. максимального количества жизнеспособных особей в популяции; количество погибших бактерий равно количеству образующихся; дальнейшего увеличения числа особей не происходит;

5) фаза ускоренной гибели; процессы гибели преобладают над процессом размножения, так как истощаются питательные субстраты в среде. Накапливаются токсические продукты, продукты метаболизма. Этой фазы можно избежать, если использовать метод проточного культивирования: из питательной среды постоянно удаляются продукты метаболизма и восполняются питательные вещества.

<<< Назад

Вперед >>>

Для того чтобы изучать микроорганизмы, определять этиологические факторы инфекционных заболеваний, заниматься вопросами профилактики и лечения инфекционных заболеваний и решать многие другие вопросы, связанные с микроорганизмами, необходимо иметь их в достаточном количестве, а это значит - создавать все условия для нормального роста и размножения микроорганизмов.

Под термином «размножение» микробов подразумевается способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей.

Размножение микроорганизмов происходит путем поперечного деления, почкованием, образования спор, репродукции.

Рост микроорганизмов означает увеличение массы микробов в результате синтеза клеточного материала и воспроизведения всех клеточных компонентов и структур.

О бактериях, спирохетах, актиномицетах, грибах, риккетсиях, микоплазмах, простейших, хламидиях говорят, что они размножаются, а вирусы и фаги (вирусы микробов) – репродуцируются.

Размножение микроорганизмов соответствует определенным закономерностям. Скорость деления микроорганизмов различна, она зависит от вида микроба, возраста культуры, особенностей естественной и искусственной питательной среды, температуры, концентрации углекислого газа и многих других факторов.

В процессе размножения микроорганизмы на различных этапах претерпевают морфологические и физиологические изменения (по форме, размерам, окрашиваемости, биохимической активности, чувствительности к физическим и химическим факторам и пр.).

Микроорганизмы обладают возрастной изменчивостью, т.е. особи изменяются на разных стадиях роста, созревания и старения. Эти изменения наблюдаются в нормальном цикле индивидуального развития микроорганизма, который зависит от природы организма, от сложности его строения и последовательности в развитии.

Наиболее простым циклом развития среди микроорганизмов обладают бактерии. Размножаются они простым поперечным делением в различных плоскостях. В зависимости от этого клетки могут располагаться беспорядочно, гроздями, цепочками, пакетами, попарно, по четыре и т.д.

Характерной чертой бактерий, отличающей их от многочисленных животных и растений, является их необыкновенная скорость размножения.

Каждая бактериальная клетка в среднем в течение получаса претерпевает деление, что обусловлено усиленным обменом веществ, скоростью, с которой питательный материал поступает внутрь клетки.

Фактором, тормозящим размножение бактерий, является истощение питательного субстрата и отравление окружающей среды продуктами распада.

У бактерий различают восемь основных фаз размножения.

1. Исходная стационарная фаза, которая представляет собой период времени один – два часа от момента посева бактерий на питательную среду. В этой фазе размножение не происходит

2. Фаза задержки размножения (лаг – фаза), в течение которой размножение бактерий происходит очень медленно, а скорость их роста увеличивается. Продолжительность второй фазы около двух часов.

3. Фаза длится пять – шесть часов. Третья фаза характеризуется максимальной скоростью деления, уменьшением размеров клеток.

4. Фаза отрицательного ускорения (продолжается около двух часов). Скорость размножения бактерий снижается, число делящихся клеток уменьшается.

5. Стационарная фаза, длящаяся около двух часов. Число новых бактерий почти равно числу отмерших особей.

6. Фаза ускорения гибели клеток (длится около трех часов).

7. Фаза логарифмической гибели клеток (длится около пяти часов), при которой гибель клеток происходит с постоянной скоростью

8. Фаза уменьшения скорости отмирания. Оставшиеся в живых особи, переходят в состояние покоя.

Продолжительность фаз размножения не является постоянной величиной. Она может быть различной в зависимости от вида микроорганизмов и условий культивирования.

Цикл развития кокковидных бактерий сводится к росту клетки и последующему ее делению. Палочковидные аспорогенные бактерии в молодом возрасте растут, достигают максимума величины, затем делятся на две дочерние клетки, которые повторяют тот же цикл. У бацилл и клостридий в цикл развития включается при определенных условиях процесс спорообразования.

Спирохеты и риккетсии, как и бактерии, размножаются путем бинарного деления.

Среди микоплазм способностью размножаться обладают все элементарные тела сферической или овоидной формы. В процессе развития на элементарном теле появляется несколько нитевидных выростов, в которых формируются сферические тела. Постепенно нити становятся тоньше и образуются цепочки с четко выраженными сферическими тельцами. Затем происходит деление нитей на фрагменты и освобождение сферических телец.

Размножение некоторых микоплазм происходит путем отпочкования дочерних клеток от более крупных шаровидных тел. Поперечным делением микоплазмы размножаются, если процессы деления микоплазм идут синхронно с репликацией ДНК нуклеоида. При нарушении синхронности образуются нитевидные многонуклеоидные формы, в последующем делящиеся на кокковидные клетки.

Актиномицеты и грибы имеют две различные стадии развития: стадию вегетативного роста, при которой характерным является образования мицелия и стадию образования спор, формирующихся на спороносцах.

Важной особенностью актиномицетов и грибов является значительное разнообразие способов их размножения. Для них характерны вегетативное, бесполое и половое размножение.

Вегетативное размножение осуществляется путем деления на фрагменты гиф с последующим образованием отдельных палочковидныхи кокковидных клеток.

Бесполое размножение происходит вегетативным путем (рост фрагментов гиф или их отдельных клеток) и при помощи более или менее специализированных органов размножения (спор и конидий). Наиболее частый, бесполый, путь размножения проявляется в образовании экзогенных и эндогенных спор. Экзоспоры или конидии образуются на концах плодоносящих гиф, но заключены внутри общего мешочка – спорангия. Гифы, несущие спорангии, называются спорангионосцами. Спорангионосцы могут быть прямыми, волнистыми, спиральными.

Половое размножение происходит при помощи специальных органов – аскоспор, базидиоспор, образованию которых предшествует половой процесс. По биологическому назначению споры актиномицетов и грибов бывают покоящиеся, служащие для сохранения вида в течение определенного периода и служащие для быстрого размножения.

Споры актиномицетов и грибов образуются каждой особью в большом количестве, так как в отличие от спор бактерий служат, в основном, целям размножения. Они менее устойчивы к факторам окружающей среды, чем споры бактерий.

У простейших, так же как у актиномицетов и грибов, наряду с размножением путем деления существует и половой процесс.

Хламидии, вирусы и фаги имеют своеобразные циклы развития.

Размножение хламидий начинается с проникновения элементарных телец в чувствительную тканевую клетку путем эндоцитоза. Эти тельца в вакуоле клетки превращаются в вегетативные формы, называемые инициальными или ретикулярными тельцами, которые обладают способностью делиться. Ретикулярные тельца имеют пластинную клеточную стенку, а в цитоплазме – рыхло расположенные ядерные фибриллы и многочисленные рибосомы. После многократного деления ретикулярные тельца превращаются в промежуточные формы, из которых развивается новое поколение элементарных телец. Весь цикл развития хламидий длится 40 – 48 часов и заканчивается формированием микроколонии хламидий в цитоплазме клетки – хозяина.

После разрыва стенки вакуоли и полного разрушения клетки – хозяина, микроколонии хламидий, оказавшись за пределами целой клетки, распадается на самостоятельные элементарные тельца, и цикл проникновения хламидий в клетку с последующим их размножением повторяется.

Репродукция вирусов характеризуется последовательностью отдельных стадий.

1. Стадия адсорбции. Вирионы адсорбируются на поверхностных структурах клетки. При этом происходит взаимодействие комплементарных структур вириона и клетки, которые называются рецепторами.

2. Стадия проникновения вириона в клетку хозяина. Пути внедрения вирусов в чувствительные к ним клетки неодинаковы. Многие вирионы проникают в клетку путем пиноцитоза, когда образующаяся пиноцитарная вакуоль «втягивает» вирион внутрь клетки. Некоторые вирусы проникают в клетку прямым путем через ее оболочку.

3. Стадия разрушения внешней оболочки и капсида вириона при помощи протеолитических ферментов клетки – хозяина. У одних вирионов процесс разрушения их оболочки начинается еще на стадии адсорбции, у других – в пиноцитарной вакуоле, у третьих – непосредственно в цитоплазме клетки при участии тех же протеолитических ферментов.

4. Стадия синтеза вирусных белков и репликации нуклеиновых кислот. После полного или частичного освобождения вирусной нуклеиновой кислоты начинается процесс синтеза вирусных белков и репликация нуклеиновых кислот.

5. Стадия сборки или морфогенез вириона. Формирование вирионов возможно только при условии строго упорядоченного соединения вирусных структурных полипептидов и их нуклеиновой кислоты, что обеспечивается самосборкой белковых молекул вокруг нуклеиновой кислоты. У одних вирусов этот процесс происходит в цитоплазме, у других – в ядре клетки хозяина. У сложноорганизованных вирусов, имеющих внешнюю оболочку, дальнейшая сборка происходит в цитоплазме во время выхода их из клетки.

6. Стадия выхода вирионов из клетки – хозяина. Ряд сложных вирусов выходят из клетки – хозяина, при этом клетки в течение некоторого времени сохраняют жизнеспособность, а потом погибают. Простые вирионы выходят из клетки через образовавшиеся в ее оболочке отверстия, клетка – хозяин погибает, не сохраняя в течение какого – то времени жизнеспособность.

В некоторых случаях репродукция вирионов в клетках может происходить в течение многих месяцев и даже лет. Вирусы выделяются через клеточную оболочку. При делении таких клеток вирионы передаются дочерним клеткам, в свою очередь начинающим продуцировать вирусные частицы.

Существует три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и вирогенный.

Продуктивный тип взаимодействия заключается в образовании новых вирионов.

Абортивный тип взаимодействия может внезапно прерваться в стадии репликации вирусной нуклеиновой кислоты или синтеза вирусных белков, или морфогенеза вирионов.

Вирогенный тип характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной нуклеиновой кислоты в ДНК клетки, которая обеспечивает синхронность репликации вирусной и клеточной ДНК.

При репродукции фага также происходит адсорбция его на поверхности клетки (1 стадия) в результате взаимодействия аминогрупп белков, локализованных в периферической части хвостового отростка фага, и отрицательно заряженных карбоксильных групп на поверхности бактериальной клетки.

Различают обратимые и необратимые фазы адсорбции. Обратимая фаза характеризуется тем, что фиксированные фаги можно отделить от клетки путем энергичного помешивания или резко уменьшить концентрацию ионов. Освободившиеся фаги при сохраняют свою жизнеспособность.

В период второй необратимой фазы адсорбции фаг не отделяется от тела микробной клетки. Процесс адсорбции длится несколько минут. Под влиянием фермента, находящегося в хвостовом отростке фага, в теле микробной клетки на месте прикрепления фага образуется отверстие, через которое внутрь клетки проникает ДНК фага. Оболочка фага остается снаружи (2 стадия).

Некоторые фаги вводят свою нуклеиновую кислоту в клетку без предварительного механического повреждения клеточной стенки. В наступивший после проникновения в клетку нуклеиновой кислоты фага латентный период, осуществляется биосинтез фаговой нуклеиновой кислоты и белков капсида фага.

Происходит синтез ферментов, необходимых для репликации фаговой нуклеиновой кислоты и структурных белков фага (3 стадия).

В четвертой стадии происходит заполнение фаговой нуклеокислотой пустотелых фаговых частиц и формирование зрелых фагов. Осуществляется морфогенез фага.

В конце латентного периода происходит лизис зараженных микробных клеток и выход зрелых фаговых частиц (5 стадия).

Считают, что адсорбция фага длится 40 минут, латентный период – 75 минут. Весь цикл взаимодействия фага с микробной клеткой продолжается немногим больше трех часов.

Внедрение фага в микробную клетку не всегда сопровождается ее лизисом. Нередко взаимодействие фага с микробной клеткой ведет к образованию лизогенных культур.

По характеру взаимодействия с микробной клеткой различают умеренные и вирулентные фаги. Состояние лизогении вызывается умеренными фагами. Лизогенные микробные клетки являются устойчивыми к вирулентным фагам. Вирулентные фаги обуславливают формирование новых фагов и лизис микробной клетки.

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.