Зростання і розмноження бактерій - студопедія

Зростання бактерій відбувається в результаті безлічі взаємопов'язаних біохімічних реакцій, які здійснюють синтез клітинного матеріалу. У бактерій розрізняють індивідуальний зростання бактеріальної клітини і зростання бактерій в популяції.

Про індивідуальному зростанні судять по збільшенню розмірів окремих особин. Швидкість зростання залежить від зовнішніх умов і фізіологічного стану самої клітини. При постійних умовах зростання здійснюється з постійною швидкістю. Паличкоподібні бактерії ростуть переважно в напрямку довгої осі, коки ростуть рівномірно у всіх напрямках. У проміжку між клітинними розподілами бактерії мають великі розміри, ніж відразу після ділення.

Розмноження бактерій. Найбільш часто бактерії розмножуються шляхом бінарного поділу, коли з однієї клітини утворюється дві, кожна з яких знову ділиться. Процесу поділу завжди передує реплікація (подвоєння) ДНК. Існує два типи поділу - поділ перетяжкой (перешнуровиванієм) і за допомогою поперечної перегородки (рисунок А.7).

Розподіл перетяжкой (констрикція) супроводжується звуженням клітини в місці її поділу, і в цьому процесі беруть участь всі верстви клітинних оболонок. Випинання оболонок всередину клітини все більш її звужує і, нарешті, ділить на дві. Цей поділ притаманне грамнегативних бактерій. Розподіл з утворенням поперечної перегородки притаманне грампозитивних бактерій. Однак у деяких груп бактерій відзначена зміна способів поділу (тіонові бактерії, мікобактерії). У кулястих бактерій може утворюватися кілька поперечних перегородок (тетракоккі, сарціни). Брунькування убактерій є різновидом бінарного розподілу. Цей спосіб розмноження властивий бактеріям, які мають диморфні або поліморфні клітинні цикли. Нирки бактеріям притаманна полярність клітин. Деякі бактерії розмножуються за допомогою Екзоспори (але не ендоспор!), Деякі - фрагментами гіф (актиноміцети). У деяких бактерій є статеві ворсинки, або F-пили.

Період від поділу до поділу називається клітинним циклом. Розрізняють декілька типів вегетативного клітинного циклу: мономорфний - утворюється тільки один морфологічний тип клітин (наприклад, бацили), диморфний - два морфологічних типи клітин, поліморфний - кілька (актиноміцети). При диморфний і полиморфном циклах розрізняють дочірні і материнські клітини.

Бактерії характеризуються високою швидкістю розмноження. Наприклад, в сприятливих умовах кишкова паличка ділиться кожні 20-30 хв, за добу це дає 2 72. тобто 72 покоління. В умовах, що виключають загибель, ця біомаса складе 4720 т. Швидкість розмноження залежить від чинників зовнішнього середовища (температури, умови харчування, вологість, реакція середовища та ін.) І від видових особливостей бактерій. Висока швидкість розмноження бактерій забезпечує їх збереження на землі навіть в умовах масової загибелі. Збережені окремі клітини розмножуються і знову дають покоління.

Зростання бактерій в популяції. Популяція (фр. Population - населення) - це сукупність бактерій одного виду (чиста культура) або різних видів (змішана асоціація), що розвиваються в обмеженому просторі (наприклад, в живильному середовищі). У бактеріальної популяції постійно відбувається зростання, розмноження і відмирання клітин. Культивування мікроорганізмів в штучних умовах буває періодичним, безперервним та синхронним.

Періодичне (стаціонарне) культивування відбувається без припливу і відпливу живильного середовища. Воно характеризується класичної кривої зростання мікроорганізмів, в якій виділяють окремі фази росту бактеріальної популяції, що відображають загальну закономірність росту і розмноження клітин.

Лаг-фаза (англ. Lag - відставання) починається з моменту посіву бактерій в свіжу живильне середовище. Клітини адаптуються до даних умов культивування, ростуть, але не розмножуються, вони досягають максимальної швидкості росту. Абсолютна і питома швидкість росту збільшуються від нуля до максимально можливих значень. Абсолютна швидкість росту визначається відношенням:

де V - приріст біомаси або числа клітин, виражається в масових одиницях, зокрема клітин або в умовних одиницях в одиницю часу.

х - біомаса або число клітин;

Питома швидкість росту визначається за формулою:

де μ - приріст біомаси е одиницю часу на одиницю біомаси,

Тривалість лаг-фази залежить від біологічних особливостей бактерій, віку культури, кількості посівного матеріалу, складу живильного середовища, температури, аерації, рН та ін. Одні бактерії володіють коротким періодом затримки росту, інші довгим. Чим молодше культура, тим період коротше. Чим складу живильного середовища ближче до того, в якому вирощували мікроорганізми, тим коротше лаг-фаза. Зміни в живильному середовищі призводять до зміни лаг-фази, так як необхідний час для синтезу ферментів, або підвищення їх активності. Таким чином, фактори затримки росту можна розділити на зовнішні (склад середовища, рН, температура і ін.) І внутрішні (вік культури). Тривалість фази миє бути від декількох хвилин до декількох годин і навіть днів. У цій фазі # 956; = 0.

Лог-фаза (логарифмічна. Або експоненціальна) характеризується максимальною швидкістю ділення бактерій. Загальна кількість бактерій визначається за формулою:

де N і N0 - загальна кількість клітин в кінці фази і на початку фази відповідно;

n - число поколінь, або генерацій.

У мікробіологічній практиці для вираження загального числа мікробних клітин найчастіше користуються не абсолютними числами (так як вони досягають величезних величин), а їх логарифмами. Прсле логарифмирования рівняння (1.3): lg N = lg N0 + n # 8729; lg2, n # 8729; lg2 = lg N - lg N0. звідси число поколінь одно: n = (lg N - lg N0) / lg2

Швидкість розмноження однієї клітини, або період генерації:

g - період генерації.

Наведені рівняння засновані на припущенні, що в лог-фазі всі 100% клітин життєздатні. Однак експериментально встановлено, що близько 20% клітин навіть в цю фазу відмирає, тому в наведені формули вноситься поправка - замість 2 береться 1,6.

Експоненціальне зростання популяції описується рівнянням:

де Х і Х0 - кількість клітин (або біомаса) в кінці і на початку досліду відповідно;

е - основа натурального логарифма;

# 956; max - максимальна питома швидкість росту.

У період логарифмічною фази більшість клітин є фізіологічно молодими, біохімічно активними, а також найбільш чутливими до несприятливих факторів зовнішнього середовища. У цій фазі # 956; = Max.

Фаза уповільненого зростання. Вона об'єднує дві фази - фазу лінійного зростання (# 956; = const) і фазу негативного прискорення. Фаза характеризується в період лінійного росту постійною швидкістю приросту біомаси (числа клітин). Потім при переході в фазу негативного прискорення чисельність клітин, які діляться зменшується. Наступ фази пояснюється кількісними змінами складу живильного середовища (споживання поживних речовин, накопичення продуктів метаболізму).

Стаціонарна фаза характеризується рівновагою між гинуть і знову утворюються клітинами. Фактори, що лімітують ріст бактерій в попередній фазі, є причиною виникнення стаціонарної фази. Приросту біомаси немає (# 956; = 0). У цій фазі спостерігається максимальна величина біомаси і максимальна сумарна чисельність клітин. Ці максимальні величини називаються урожаєм. або виходом.

Фаза відмирання (експоненційної загибелі клітин) характеризується зменшенням числа живих клітин, зростанням гетерогенності популяції (з'являються клітини, які не сприймають барвник, зі слабким розвитком муреінового шару та ін.). Процес відмирання превалює над розподілом (# 956; <0).

Фаза виживання характеризується наявністю окремих клітин, що зберегли протягом тривалого часу життєздатність в умовах загибелі більшості клітин популяції. Ті, що вижили клітини характеризуються низькою активністю процесів метаболізму, зміною ультраструктури клітин (дрібнозернистий цитоплазма, відсутність полірібосом і ін.). Клітини більш стійкі до несприятливих умов середовища.

Таким чином, при стаціонарному культивуванні мікробні клітини весь час знаходяться в умовах, що змінюються: спочатку є в надлишку всі поживні речовини, потім поступово настає їх недолік, потім отруєння клітин продуктами метаболізму.

Вплив факторів, що лімітують на швидкість росту. Для нормального росту і розвитку мікроорганізмів середовище повинне містити необхідні елементи живлення, мати відповідну рН, температуру і т.д. Фактори, що обмежують зростання культури, називаються лімітуючими. Характерна особливість росту популяції мікроорганізмів - залежність питомої швидкості росту від концентрації субстрату. Ця залежність виражається рівнянням Моно. які представляють собою гіперболічного функцію:

# 956; max - максимальна питома швидкість росту;

S - концентрація субстрату;

KS - константанасищенія, чисельно рівна такій концентрації субстрату, яка забезпечує швидкість росту, відповідну половині значення # 956; max.

У міру споживання поживних речовин середу збагачується продуктами обміну, які також лімітують ріст культури. Найбільш загальний випадок впливу концентрації субстрату і продуктів обміну на швидкість росту популяції мікроорганізмів знайшов відображення в моделі Н.Д. Єрусалимського:

де Р - концентрація продуктів обміну;

КР - константа, чисельно рівна такій концентрації продуктів обміну, при якій швидкість росту сповільнюється вдвічі.

Аналіз цього рівняння показує, що за умови КР >> Р, коли величиною Р можна знехтувати. швидкість росту обмежена тільки концентрацією субстрату. Якщо S >> KS, то швидкість зростання лімітована накопиченням продуктів обміну.

Безперервне культивування. Якщо в ємність, де знаходиться бактеріальна популяція, безперервно подавати свіжу живильне середовище і одночасно з такою ж швидкістю виводити культуральну рідину, що містить бактеріальні клітини і продукти метаболізму, то виходить безперервне культивування. Регулюючи швидкість проточною середовища, можна управляти зростанням бактеріальної популяції, наприклад, подовжувати логарифмічну або стаціонарну фазу на будь-який необхідний час. Безперервне культивування здійснюється в спеціальних приладах - Хемостат і турбідостатах. Безперервне культивування мікроорганізмів використовується для вивчення їх фізіології, біохімії, генетики та ін. А також широко використовується в мікробіологічної промисловості.

Синхронні культури - це культури, в яких деякий час все клітини діляться одночасно (синхронно) за рахунок однакової готовності до поділу всіх особин. Синхронізація досягається фізичними і хіміко-біологічними методами. До фізичних методів відноситься температурний вплив, диференціальне центрифугування або диференціальне фільтрування, хіміко-біологічним - вимушене голодування бактерій, вирощування бактерій на неповноцінних середовищах з подальшим перенесенням їх на повноцінні середовища. Синхронні культури використовуються для генетичних і цитологічних досліджень, для вивчення синтезу окремих клітинних компонентів в процесі ділення бактерій.