Двухфазный рост бактерий. Диауксия. Рост без деления. Оценка роста бактерий. Количественная оценка роста бактерий.

При внесении
бактерий в питательную среду они обычно растут до тех пор, пока содержание
какого-нибудь из необходимых им компонентов среды не достигнет минимума, после
чего рост прекращается.

Если на протяжении этого времени не добавлять
питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получим так
называемую периодическую культуру (популяцию клеток в ограниченном жизненном
пространстве).

Рост в такой «закрытой системе» подчиняется закономерностям,  
действительным  не  только   для  
одноклеточных,   но   и   для многоклеточных
организмов. Периодическая культура ведет себя как многоклеточный организм с
генетически ограниченным ростом.

Кривая,
описывающая зависимость логарифма числа живых клеток от времени, называется кривой
роста. Типичная кривая роста (рис. 6.

6) имеет S-образную форму и позволяет
различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной
последовательности и в боль шей или меньшей степени выраженных: начальную (или
лаг-) фазу, экспоненциальную (или логарифмическую) фазу, стационарную фазу и фазу
отмирания.

Рост микроорганизмов
на твердых питательных средах протекает в основном так же, хотя при этом
достигаются значительно более высокие плотности клеток.

Начальная
фаза. Эта фаза охватывает промежуток времени между инокуляцией и
достижением максимальной скорости деления.

Продолжительность этой фазы зависит
главным образом от предшествовавших условий культивирования и возраста
инокулята, а также от того, насколько пригодна для роста данная среда.

Если
инокулят взят из старой культуры (в стационарной фазе роста), то клеткам
приходится сначала адаптироваться к новым условиям путем синтеза РНК, образования
рибосом и синтеза ферментов.

Если источники энергии и углерода в новой среде
отличаются от тех, какие были в предшествующей культуре, то приспособление
(адаптация) к новым условиям может быть связано с синтезом новых ферментов,
которые ранее не были нужны и поэтому не синтезировались. Образование новых
ферментов индуцируется новым субстратом.

Хорошим
примером влияния субстрата на синтез ферментов служит так называемая диауксия (рис.
6.7). Это явление двухфазного роста или двойного цикла роста наблюдается на
средах, содержащих смесь питательных веществ. Из смеси глюкозы и сорбитола Escherichia coli, например,
поглощает в первую очередь глюкозу.

Глюкоза индуцирует сначала в клетках синтез
ферментов, которые нужны для ее использования и одновременно подавляет
(репрессирует) синтез ферментов, необходимых для использования сорбитола. Эти
последние ферменты образуются лишь после того, как вся глюкоза будет
израсходована.

Такие регуляторные процессы достаточно хорошо объясняют наличие
двух начальных фаз.

Количественное
изменение состава бактериальной клетки во время начальной фазы роста сильнее
всего затрагивает рибонуклеиновую кислоту: содержание РНК повышается в 8-12
раз. Это указывает на участие РНК и рибосом в синтезе ферментных белков.

Экспоненциальная
фаза. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза роста характеризуется
постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость во время
экспоненциальной фазы зависит от вида бактерий, а также от среды.

Энтеробактерии делятся через каждые 15-30 мин, Escherichia coli при
37°С — примерно каждые 20 мин.

У других бактерий время генерации значительно
больше: у многих почвенных видов оно достигает 60-150 мин, а у Nitrosomonas и Nitrobacter
— даже 5-10 ч.

Величина
клеток и содержание в них белка у многих бактерий тоже остаются в
экспоненциальной фазе постоянными.

В известном смысле можно сказать, что
бактериальная культура в этом случае состоит из «стандартных клеток».

Если
точно установлено, что число клеток, содержание в них белка и их сухая биомасса
увеличиваются с одинаковой скоростью, то за ростом культуры можно следить,
пользуясь каким-нибудь одним из этих показателей.

Нередко,
однако, и в экспоненциальной фазе роста клетки периодической культуры
претерпевают изменения, так как постепенно изменяется среда: уменьшается
концентрация субстрата, увеличивается плотность клеточной суспензии и
накапливаются продукты обмена.

В связи с тем, что в экспоненциальной фазе
скорость деления клеток относительно постоянна, эта фаза наиболее удобна для
определения скорости деления (и скорости роста). Изучая влияние факторов среды
(рН, окислительно-восстановительного потенциала, температуры, аэрации и т. д.

),
а также пригодность различных субстратов, следят за увеличением числа клеток
или за мутностью (экстинкцией) клеточной суспензии во время экспоненциального
роста.

Стационарная
фаза. Стационарная фаза наступает тогда, когда число клеток перестает
увеличиваться. Скорость роста зависит от концентрации субстрата — при
уменьшении этой концентрации, еще до полного использования субстрата, она
начинает снижаться. Поэтому переход от экспоненциальной фазы к стационарной
происходит постепенно.

Скорость роста может снижаться не только из-за нехватки
субстрата, но также из-за большой плотности бактериальной популяции, из-за
низкого парциального давления О2 или накопления токсичных
продуктов об мена; все эти факторы вызывают переход к стационарной фазе.

И в
стационарной фазе могут еще происходить такие процессы, как использование
запасных веществ, распад части рибосом и синтез ферментов. Наблюдаемая картина
зависит от того, какой именно фактор лимитирует рост.

Быстро гибнут лишь очень
чувствительные клетки; другие еще долго сохраняют жизнеспособность — до тех
пор, пока есть возможность получать необходимую для этого энергию в процессе
окисления каких-либо запасных веществ или клеточных белков.

Количество биомассы,
достигнутое в стационарной фазе, называют выходом или урожаем. Урожай зависит
от природы и количества используемых питательных веществ, а также от условий
культивирования.

Фаза
отмирания. Фаза отмирания и причины гибели бактериальных клеток в нормальных
питательных средах изучены недостаточно. Сравнительно легко понять случаи,
когда в среде накапливаются кислоты (при росте Escherichia, Lactobacillus). Число
живых клеток может снижаться экспоненциально. Иногда клетки лизируются под
действием собственных ферментов (автолиз).

База знаний

2.1. Рассмотрим ситуацию, когда одиночная бактериальная клетка помещена в питательную среду и находится в условиях, оптимальных для роста. Перепишите табл. 2.4 и заполните ее, исходя из предположения, что эта клетка и все ее потомки делятся каждые 20 мин.

На основе данных заполненной вами таблицы постройте графики. По вертикальной оси отложите число бактерий (кривая А) и десятичный логарифм этого числа (кривая Б), а по горизонтальной оси – время. Что можно сказать о форме этих кривых?

Когда число клеток увеличивается, как видно из заполненной вами табл. 2.4, говорят о логарифмическом, экспоненциальном или геометрическом росте. В этом случае мы получим экспоненциальный ряд чисел.

Это гораздо легче понять, если посмотреть на строку В в табл. 2.4, где число бактерий выражено в виде числа 2, возведенного в соответствующую степень. Показатель степени можно назвать логарифмом или экспонентной числа 2. Логарифмы, или экспоненты, образуют линейный ряд 0, 1, 2, 3 и т.д.

, соответствующий числу генераций.

Вернемся к табл. 2.4; вместо чисел, расположенных в строке А, можно записать их логарифмы по основанию 2 следующим образом:

Сравните строки В и Г. Однако обычно пользуются десятичными логарифмами (см. строку Б). В этом случае 1 = 100, 2 = 100,3, 4 = 100,6 и т.д.

Кривая, полученная на основе данных строки А (табл. 2.4.), называется логарифмической или экспоненциальной кривой.

Такую кривую можно преобразовать в прямую, построив график изменения числа клеток во времени. Тогда в идеальных условиях рост бактерий теоретически должен быть экспоненциальным.

Сравним эту математическую модель с кривой роста реальной популяции бактерий, изображенной на рис. 2.15. Отчетливо видны четыре фазы роста.

Рис. 2.15. Типичная кривая роста популяции бактерий.

1. Во время лаг-фазы бактерии адаптируются к новой среде обитания, и поэтому рост пока еще не достигает максимальной скорости. В этот период у бактерий могут, например, синтезироваться новые ферменты, необходимые для усвоения тех питательных веществ, которые содержатся в новой среде.
2. Логарифмическая фаза – это фаза, когда бактерии растут с максимальной скоростью, число клеток увеличивается почти экспоненциально, а кривая роста представляет собой практически прямую.
3. В конце концов рост колонии начинает замедляться, и культура входит в стационарную фазу, когда скорость роста равна нулю и когда резко возрастает конкуренция за пищевые ресурсы. Образование новых клеток замедляется, а затем совсем прекращается. Увеличение числа клеток компенсируется одновременной гибелью других клеток, поэтому число жизнеспособных клеток остается постоянным (табл. 2.5). Переход к этой фазе обусловлен действием нескольких факторов: снижением концентрации питательных веществ в среде, накоплением токсичных продуктов метаболизма, а в случае аэробных бактерий и уменьшением содержания кислорода в среде.
4. 4. Во время последней фазы – фазы замедления роста – ускоряется гибель клеток и прекращается их размножение. Способы подсчета клеток описаны в практических занятиях в конце гл. 12.

Предыдущая | Оглавление | Следующая

Рост и размножение бактерий

Двухфазный рост бактерий. Диауксия. Рост без деления. бактерий.

Двухфазный рост. У бактерий, способных использовать два различных источника углерода, наблюдают двухфазный рост (так называемая диауксия). Примером может служить рост кишечной палочки на среде с глюкозой и сорбитолом.

• • Для подобных микроорганизмов характерен начальный пик роста, в течение которого бактерии утилизируют только один углевод.
• • После исчерпания его запасов наступает стационарная фаза, в течение которой в культуре инициируются синтез ферментов и механизмы транспорта для утилизации второго углевода.
• • Если физиологические условия удовлетворительны, в бактериальной культуре начинается фаза вторичного экспоненциального роста, инициированная утилизацией второго углевода.

Рост бактерий– увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции. Многие факторы — детергенты, антибиотики, соли жёлчных кислот, УФ-облучение — задерживают деление клеток. В результате образуются длинные нитевидные формы, значительно превышающие по размерам исходные клетки.

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.

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.

Рост бактериальной культуры.

Кривая роста микроорганизмов (характеристика, особенности кривых роста для разных культур микроорганизмов)

Ответы по промышленной микробиологии

1. Методы культивирования.

Для культивирования микроорганизмов применяют поверхностный или глубинныйспособы.

При поверхностном способе микроорганизмы выращивают чаще всего на твердых (рыхлых, увлажненных до 30-80%, например, отрубях) или жидких (реже) питательных средах.

В первом случае рост идет на поверхности твердых частиц и в порах, заполненных водой или воздухом, перемешивание отсутствует. Если среда жидкая, то кюветы с ней помещают в вентилируемые воздухом камеры.

Культура микроорганизмов потребляет кислород непосредственно из газовой фазы __ воздуха.

Поверхностным способом выращивают аэробные микроорганизмы (например, плесневые грибы).

Глубинный способ характеризуется тем, что микроорганизмы развиваются во всей толще жидкой питательной среды в специальных аппаратах (ферментаторах). Метод применим как для выращивания аэробных (аэрация среды обязательна), так и анаэробных микроорганизмов. Во всех случаях проводят перемешивание питательной среды мешалками.

Культивирование глубинным способом может быть периодическим или непрерывным.

Сущность периодического способа заключается в том, что весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют культуру микроорганизмов и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы (например, при выращивании чистой культуры дрожжей, бактерий; в производстве хлебопекарных дрожжей) или продуктов жизнедеятельности микроорганизмов — метаболитов (например, спирта).

При периодическом культивировании изменяется состав среды (уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается количество метаболитов); скорость роста; морфологические и физиологические свойства культуры.

К тому же возникают технологические трудности __ циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и автоматизацию процесса.

Эффективность данного способа низкая (70% времени приходится на непроизводительные стадии __ лаг-фазу и фазу отмирания).

• Эти недостатки устраняются применением непрерывных способов культивирования.
• Данные методы характеризуются непрерывным поступлением в ферментатор свежей питательной среды и непрерывным оттоком готовой культуральной жидкости вместе с клетками введенной культуры микроорганизма.
• При непрерывном культивировании можно задержать культуру на логарифмической стадии роста (или любой другой), установки могут длительно работать без остановки на дезинфекцию, время производства сокращается, процесс легче автоматизировать.
• Различают гомогенно- и гетерогенно-непрерывное культивирование.
• Гомогенно-непрерывный способ отличается интенсивным перемешиванием содержимого в ферментаторе, благодаря этому все параметры в любой точке аппарата и в вытекающей из него среде одинаковы.

Гетерогенно-непрерывный способ характеризуется незначительным перемешиванием среды или полным его отсутствием. При этом состав среды в любой точке аппарата различен, однако показатели системы в целом не изменяются во времени.

1. Гомогенные методы культивирования чаще всего используют для накопления биомассы микроорганизмов, гетерогенные — для проведения собственно процесса брожения.
2. Все непрерывные процессы осуществляют в одном аппарате или в батарее, соединенных последовательно между собой ферментаторов.
3. Периодическое культивирование.
4. Периодическое культивирование микроорганизмов – метод культивирование микроорганизмов, характеризующийся однократным засевом среды в начале и одноразовым получением биомассы в конце процесса, обычно после полного использования субстрата.

Периодическое культивирование микроорганизмов может быть представлено статическими, динамическими и продленными способами культивирования. Статические процессы осуществляются в стационарных условиях без перемешивания.

При этом аэробные микроорганизмы обычно развиваются на поверхности жидкой или твердой среды (поверхностное культивирование), например, поверхностный способ жидкофазного культивирования Aspergillus niger для получения лимонной кислоты.

Периодические динамические процессы осуществляются с помощью перемешивания и аэрации: в жидких средах на качалках, в биореакторах при помощи мешалки и барботера.

Твердофазное культивирование (ТФК) – это выращивание микроорганизмов в массе измельченного влажного твердого субстрата. Технологическими вариантами ТФК являются компостная куча, поверхностное культивирование, перемешиваемый слой, культивирование во вращающихся ферментерах, ТФК с перемешиванием и аэрацией и т.д.

• К продленным способам культивирования относятся:
• 1. отъемно-доливной способ, когда порциями в аппарат подается среда и производится отъем культуральной жидкости;
• 2. периодическое культивирование с подпиткой, когда в культуральную жидкость добавляется по специальной программе отдельные компоненты питательной среды и периодически отбирается часть культуральной жидкости;
• 3. диализное культивирование в гильзе, не проницаемой для клеток, но пропускающие растворенные вещества;

4. батарейный способ, когда микроорганизмы развиваются в ряду последовательно соединенных ферментеров.

Непрерывное культивирование.

Непрерывное культивирование — это процесс, при котором в ферментаторе поддерживаются постоянные условия среды, в результате чего микроорганизмы остаются в определенном физиологическом состоянии.

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой стадии непрерывного процесса, стабилизации его во времени, улучшение качества продукции, легкость регулировки и, главное, возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется тенденция в биотехнологии к переходу от периодических процессов к непрерывным.

Принцип непрерывного (проточного) культивирования микробов состоит в том, что в сосуд, где размножаются микроорганизмы, непрерывно подается свежая питательная среда и одновременно втекает такой же объем культуры. По такому принципу организуются две разновидности технического процесса непрерывного культивирования: процесс (технология) полного вытеснения и технология полного смешивания.

При технологии полного вытеснения сосуд для выращивания микроорганизмов (трубчатый ферментер) представляет собой трубку, расположенную горизонтально или вертикально, в которую втекают среда и посевной материал и вытекает культура. Перемешивание не производится.

Таким способом сравнительно легко и несложно культивировать микроорганизмы, не требующие аэрации. С одной стороны ферментера подаются среда и посевной материал, где микробная популяция находится в начале своего развития.

По ходу трубки культура «стареет», субстрат исчерпывается, накапливаются продукты метаболизма и вытекающая культура приходит в состояние аналогичное стационарной фазе роста периодической культуры. В результате такого процесса в ферментере воспроизводится полная кривая роста, но не во времени, а в пространстве.

В настоящее время появились ферментативные аппараты, обеспечивающие процессы с режимом, приближающимся к полному вытеснению и при аэробном культивировании.

Процесс полного вытеснения применяется в промышленности в тех случаях, когда желательно избежать потери времени на опорожнение, стерилизацию и заполнение емкости. Его применяют в пищевой промышленности, когда используются сложные среды и стоит задача наиболее экономично провести процесс аналогичный тому, который ведется в периодическом режиме.

В процессе полного смешивания рост культур происходит в емкости – ферментере при интенсивном перемешивании. Перемешивание достигается продуванием воздуха или работой мешалки (или тем и другим одновременно). Во всей массе культуры условия должны быть совершенно одинаковыми.

В ферментере создаются условия соответствующие одной точки кривой роста культуры. При больших потоках среды эти условия близки к фазе логарифмического роста, при малых – приближаются к условиям стационарной фазы роста культур. При таком методе может быть воспроизведена любая точка роста периодической культуры.

В установившемся режиме скорость потока среды, отнесенная к объему культуры в ферментере, называют коэффициентом разбавления.

При таком способе культивирования культура (вследствие возникновения феномена синхронизации роста) обладает способностью самостоятельно автоматически подстраиваться к измененным условиям процесса.

Если условия изменяются в сторону ускорения роста, то в ферментере повышается концентрация биомассы и понижается концентрация субстрата, при замедлении роста – концентрация биомассы понизится, а концентрация питающего субстрата повысится.

1. Существует много способов непрерывного культивирования микроорганизмов, но в биопромышленности в основном применяются два типа:
2. Хемостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние достигается путем регулирования поступления лимитирующих рост субстратов;
3. Турбидостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние культуры достигается путем удаления биомассы и замещения её свежей средой со скоростью равной скорости роста культуры.
4. Хемостат в отличии от турбидостата позволяет с высокой скоростью регулировать условия лимитирования роста (субстратное лимитирование), тогда как турбидостат предпочтительнее для изучения микроорганизмов в условиях близких к максимальной удельной скорости роста.
5. Кривая роста микроорганизмов (характеристика, особенности кривых роста для разных культур микроорганизмов).

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.

I 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.

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.

II Логарифмическая, или экспоненциальная, или лог-фаза, характеризуется максимальной скоростью деления бактерий.

В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды.

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.

III Фаза замедления роста — период в развитии культуры, когда нарастание числа клеток замедлено вследствие исчерпания питательных веществ в среде или отравления продуктами жизнедеятельности.

IV 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.

V 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.

VI 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.

Бактериальный рост: кривая, фазы, факторы

Бактериальный рост: кривая, фазы, факторы — Наука

Содержание:

В Бактериальный рост это сложный процесс, который включает в себя множество биохимических реакций и приводит к делению бактериальных клеток. Если бы нам нужно было определить его более точно, мы бы сказали, что это увеличение количества бактерий в популяции, а не размер каждой отдельной бактерии.

Бактерии — это прокариотические организмы, у которых отсутствует ядро ​​или какой-либо другой внутриклеточный мембранный компартмент. Это одноклеточные микроскопические организмы, естественным образом распространенные во всех экосистемах биосферы: в почвах, водоемах, животных, растениях, грибах и т. Д.

По сравнению со многими эукариотами, бактерии обычно распространяются гораздо быстрее, что может происходить как в естественном контексте каждого вида, так и в контролируемой экспериментальной среде (in vitro).

• Как и в остальных клеточных организмах, деление клеток у бактерий — это процесс, который происходит под строгим контролем, как пространственным, так и временным, который включает:
• — репликация или дупликация ДНК (генетического материала)
• — его распределение между двумя будущими дочерними клетками (противоположные полюса делящейся клетки)
• — разделение двух образовавшихся клеток за счет образования «перегородки» или средней стенки в делящейся клетке
• У этих организмов такое деление клеток известно как бинарное деление и представляет собой процесс, который приводит к увеличению числа бактериальных особей в популяции, то есть к росту бактерий.

Поскольку каждая клетка во время деления должна дублировать свой генетический материал и, следовательно, увеличивать свой размер, это означает, что бинарное деление является биохимически активным событием, которое требует затрат энергии, то есть реакций синтеза и реакций разложения.

Рост бактериальной популяции можно изобразить как увеличение числа клеток как функцию времени, и этот график представляет собой кривую, называемую «кривой роста бактерий», на которой выделяются несколько фаз, в которых происходят различные характерные процессы.

Кривая роста бактерий

Многие авторы описывают рост бактериальной популяции как экспоненциальный или геометрический процесс, поскольку каждый цикл деления (также известный как генерация) вызывает появление 2 из 1 исходной клетки, затем из этих двух появляются 4, затем 8, затем 16. и так далее.

Время, необходимое для формирования каждого из этих поколений, известно, следовательно, как время генерации или время удвоения, которое можно легко вычислить, которое обычно является постоянным и почти всегда зависит от вида.

За Кишечная палочка, например, у одного из модельных организмов среди прокариот время удвоения составляет плюс-минус 20 минут, в то время как у других видов, таких как Clostridium perfringens или Микобактерии туберкулеза у них время удвоения составляет 10 минут и более 12 часов соответственно.

Важно отметить, что время генерации и, следовательно, рост бактерий может изменяться в зависимости от различных факторов, о которых мы поговорим позже.

Что такое кривая роста бактерий?

1. За прошедшие годы ученым удалось описать феномен роста бактерий с помощью графических методов, и именно так появилась кривая роста бактерий, известная нам сегодня.
2. Эта кривая представляет собой не что иное, как график, показывающий увеличение количества клеток в культуре (нанесенный на график в логарифмической шкале) за единицу времени, из которого получена ценная информация.
3. Как правило, все экспериментально выращенные бактерии in vitro которые снабжены всеми необходимыми питательными веществами для роста, демонстрируют аналогичный характер роста, который можно легко наблюдать при построении кривой роста.
4. На этой кривой роста различают несколько стадий или фаз, которые очень характерны и для которых микробиологи получили правдоподобные биологические объяснения.

Фазы бактериального роста

• Как мы уже обсуждали, популяция бактерий растет экспоненциально, поэтому кривые роста построены в логарифмическом масштабе.
• Учитывая, что поведение во время роста бактерий неоднородно, то есть оно не описывает прямую линию, всегда поднимающуюся, на типичной кривой роста наблюдаются четыре фазы, которые известны как:
• — фаза задержки (отставание)
• — экспоненциальная или логарифмическая фаза (журнал)
• — Стационарная фаза
• — фаза упадка или смерти

Фаза задержки или фаза отставание

Чтобы начать культивирование бактерий, начинают посев мелких клеток. Когда этот посевной материал вносится в полную свежую культуральную среду, то есть со всеми необходимыми питательными веществами для роста данного вида бактерий, первоначально никаких изменений в количестве особей не наблюдается.

Было показано, что во время этой «латентной» фазы, когда, по-видимому, не происходит роста клеток, бактерии увеличиваются в размерах и становятся метаболически очень активными, поскольку они синтезируют нуклеиновые кислоты, белки, ферменты и т. Д.

1. Продолжительность этой фазы во времени зависит от некоторых внутренних факторов населения и некоторых факторов окружающей среды. Например:
2. — размер исходного посевного материала
3. — предыдущих условий окружающей среды посевного материала
4. — времени на синтез элементов, необходимых для разделения

Экспоненциальная или логарифмическая фаза (журнал)

Когда бактерии готовы начать деление, наблюдается экспоненциальный рост количества клеток в единице объема в единицу времени. Таким образом, они находятся в экспоненциальной или логарифмической фазе кривой.

Считается, что во время этой фазы большинство бактерий подвергаются бинарному делению с постоянной скоростью, и именно на этой стадии ученые вычисляют время удвоения.

Как и все фазы роста бактерий, экспоненциальная или логарифмическая фаза и время удвоения популяции зависят не только от вида, но и от того, находят ли бактерии в культуральной среде все необходимые питательные вещества и правильные условия для его рост.

Стационарная фаза

• Экспоненциальный рост бактерий не бесконечен, и это связано с тем, что питательная среда, которая представляет собой замкнутую систему роста, рано или поздно исчерпывает питательные вещества (бактерии потребляют все).
• Помимо питательных веществ, увеличение количества клеток в постоянном объеме (увеличение концентрации клеток) также является синонимом увеличения концентрации метаболитов или продуктов жизнедеятельности, которые могут оказывать тормозящее действие на рост.
• Большое количество клеток в ограниченном пространстве также означает, что в конечном итоге не будет достаточно места для большего количества клеток, что приведет к ингибированию роста.
• В этой фазе, называемой стационарной фазой, некоторые клетки продолжают делиться, но другие начинают умирать с такой же скоростью, поэтому кривая выравнивается.

Фаза упадка или смерти

После стационарной фазы он наблюдается как тарелка На кривой роста продолжается фаза гибели или упадка, когда бактерии начинают умирать, а кривая снижается.

Во время фазы смерти бактерии умирают экспоненциально, поэтому она считается «обратной» стадией, чем экспоненциальная.

Факторы, влияющие на рост бактерий

1. На рост бактерий влияет множество факторов, многие из которых связаны со средой, в которой они растут.
2. Как и всем живым организмам, бактериям для выживания необходимы определенные «базовые» условия, выходящие за рамки еды.

   Таким образом, мы можем перечислить некоторые из основных факторов, которые могут изменить или повлиять на внешний вид кривой роста бактерий:

3. — состав питательной среды: по источникам углерода и по основным элементам
4. — pH
5. — температура среды
6. — концентрация ионов и минералов
7. — концентрация газа
8. — наличие воды
9. — количество ячеек
10. — наличие метаболитов
11. — наличие антибиотиков и других потенциально бактерицидных веществ

Ссылки

1. Брэмхилл, Д. (1997). Деление бактериальных клеток. Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития, 13 (1), 395-424.
2. Моно, Дж. (1949). Рост бактериальных культур. Ежегодный обзор микробиологии, 3 (1), 371-394.
3. Пеппер И. Л., Герба К. П., Джентри Т. Дж. И Майер Р. М. (ред.). (2011). Экологическая микробиология. Академическая пресса.
4. Ведяйкин А.Д., Пономарева Е.В., Ходорковский М.А., Борхсениус С.Н., Вишняков И.Е. (2019). Механизмы деления бактериальных клеток. Микробиология, 88 (3), 245-260.
5. Виддел, Ф. (2007). Теория и измерение роста бактерий. Ди далам Grundpraktikum Mikrobiologie, 4 (11), 1-11.
6. Уилли, Дж. М., Шервуд, Л., и Вулвертон, К. Дж. (2011). Микробиология Прескотта (Том 7). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.

Рост и культивирование микроорганизмов

После изучения данной главы студент должен: знать

• • особенности роста микроорганизмов в периодических и непрерывных культурах; уметь
• • рассчитывать скорость роста микробных культур; владеть
• • навыками выращивания сапротрофных микроорганизмов на соответствующих средах, контроля их роста и количественного учета.

Основные параметры роста культур

У одноклеточных форм понятия «рост» и «развитие» почти равнозначны. Из-за малых размеров микроорганизмов оценка роста происходит не для индивидуального организма, а для популяции. Графическое отражение процесса называется кривой роста.

Простейшими параметрами для оценки роста культуры служат время генерации, константы скорости роста и скорости деления. Для их подсчета пользуются таким легко измеряемым показателем, как количество клеток в единице объема. Методы определения числа клеток бывают прямые и косвенные.

Прямыми методами можно подсчитать под микроскопом достаточно крупные клетки, не образующие скопления. При таком подсчете без специальных приемов не удается различить живые и мертвые клетки.

Для этого готовят различные препараты с определенной площадью мазка или применяют специальные счетные камеры, обеспечивающие заданный объем клеточной суспензии (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Камера Горяева — Тома для подсчета клеток:

а — вид сверху; 6 — вид сбоку; в — разметка (сеточка) средней части (увеличено)

Косвенные методы основаны на измерении показателей, зависящих от количества клеток (число колониеобразующих единиц, значение мутности суспензии, содержание белка, поглощение кислорода, количество образованной биомассы и др.).

Обычно исследователь параллельно использует два-три метода определения численности клеток, так как любой способ подсчета имеет свои ограничения.

Так, не все клетки способны дать колонии на твердой среде, и не существует питательной среды, подходящей для всех без исключения микроорганизмов.

Из косвенных методов наиболее часто применяют получение отдельных колоний на плотных средах по Коху.

Поскольку колония — это потомство одной клетки, то, подсчитав выросшие на агаризованной среде колонии, можно узнать число клеток (колониеобразующих единиц, КОЕ) в единице объема исходной суспензии. Для получения изолированных колоний готовят десятикратные разведения.

Посев можно осуществить по поверхности застывшей агаризованной среды в чашках Петри (рис. 5.2) или глубинно (рис. 5.3), внося заданный объем суспензии в порцию расплавленной и остуженной до 45°С агаризованной среды и выливая смесь в чашку Петри для застывания.

Чашки с посевами помещают в термостат крышками вниз, чтобы конденсационная вода не мешала образованию отдельных колоний. Когда колонии станут хорошо различимыми, проводят их подсчет, учитывая объем внесенной пробы и разведение.

Рис. 5.2. Схема поверхностного посева по Коху для получения отдельных колоний

Рис. 53. Схема глубинного посева по Коху для получения отдельных колоний

При периодическом культивировании в экспоненциальной фазе роста увеличение числа клеток, размножающихся бинарным делением, происходит в геометрической прогрессии: 2°—>2!—>22—> … —>2”.

Если обозначить начальное число клеток как JV0, количество делений как п} то число клеток через промежуток времени (t — t0) будет равно Nt = N0 • 2″.

Тогда число делений можно выразить через количество клеток: п = (lgNt — lgN0)/ lg2.

Константа скорости деления (число удвоений в единицу времени) обозначается v и вычисляется следующим образом: v = n/(t — 10) = (lgNt — — gN0)/ [lg2 • (t — ^0)].

Обратной величиной является время генерации (промежуток времени, за который число клеток удваивается): g = (t — t0)/n = = 1/v. Важной характеристикой культуры является константа скорости роста (удельная скорость роста) р.

При стандартных условиях независимо от места выращивания конкретная культура имеет совершенно определенную одну и ту же константу скорости роста. Ее вычисляют по формуле р = (lgNt — lgiV0) / [0,4343(7 — 70)]. Для проведения расчетов принимают некоторые допущения.

Микробную культуру рассматривают как самораз- множающуюся систему, а не как набор индивидуальных особей. Считают, что в экспоненциальной фазе роста все клетки физиологически активны и способны к делению. Рост биомассы в этом случае прямо пропорционален увеличению числа клеток.

Для характеристики эффективности процесса используют ряд дополнительных параметров (урожай, экономический и энергетический коэффициенты). Под урожаем (или выходом) биомассы понимают разность между максимальной и исходной массой бактерий: X = Хтах — Х() (г сухого вещества).

Огромное значение имеет экономический коэффициент, т.е. отношение урожая клеток к количеству потребленного субстрата: У = X/S (в г). Применяют также энергетический коэффициент: УАТР = X (г)/АТР (моль).

Для его расчета нужно знать катаболические пути использования данного субстрата.

Если бы рост микроорганизмов не ограничивался доступностью питательных веществ, то через 48 ч микробные клетки образовали бы биомассу, в 150 раз превышающую массу нашей планеты. Быстрее всего из известных микроорганизмов растут фотобактерии, удваивающиеся каждые 8—10 мин Е. coli в оптимальных условиях делится через 20 мин.

Продуктивность одноклеточных микроорганизмов в 10—100 тыс. раз превышает продуктивность сельскохозяйственных растений и животных (рис. 5.4). Так, корова массой 500 кг за 1 су г. дает привес в 0,5 кг (массу морской свинки), такая же масса сои — 5 кг (массу кошки), в то время как 500 кг дрожжей нарабатывают 50 000 кг (массу 10 слонов).

Рис. 5.4. Продуктивность различных организмов за сутки