Ріст бактерій у бактеріальній популяції

Лекція № 3

Тема: Ріст, розмноження мікроорганізмів та використання цих процесів у людській діяльності.

План

1. Поняття росту мікроорганізмів та фази росту мікроорганізмів.

2. Ріст бактерій у бактеріальній популяції.

3. Способи розмноження мікроорганізмів.

4. Спеціалізовані клітинні структури: екзоспори, цисти, акінети, мікроспори, артроспори, конідії, спорангіоспори.

5. Використання росту і розмноження мікроорганізмів у людській діяльності

Вступ

Розмноження, або відтворення собі подібних, є невід'ємною властивістю всіх живих організмів — від вірусів до людини. Цей процес забезпечує існування в часі кожного виду рослин і тварин, підтримання його чисельності і спадковості між окремими поколіннями. Тільки внаслідок розмноження (поділу) існуючих клітин можуть утворюватись нові. Ріст, індивідуальний розвиток і постійне самооновлення тканин багатоклітинних організмів визначаються процесами поділу клітин. Підтримання життя таких особин у часі також зумовлюється розмноженням клітин, оскільки тривалість життя більшості клітин коротша, ніж особини.

Поняття росту мікроорганізмів

Під поняттям ріст розуміють гармонійне збільшення всіх хімічних компонентів, з яких складається бактеріальна клітина. Ріст прокаріотів залежить насамперед від того, чи є в середовищі вода, поживні речовини, фізіологічне активні речовини тощо. Ріст паличкоподібних прокаріотних клітин відрізняється від кулястих. Перші ростуть переважно в напрямку довгої вісі, а другі — рівномірно в усіх напрямках. У зв'язку з цим співвідношення між поверхнею і об'ємом у паличкоподібних клітин під час їхнього росту істотно не змінюється. У кулястих — відносна величина поверхні клітини зменшується, оскільки їхня поверхня росте пропорційно квадрату радіусу, а об'єм — пропорційно кубу.

Існують прямі і побічні методи визначення розмірів бактеріальних клітин. До прямих методів відносять метод визначення розмірів клітин за допомогою окулярних мікрометрів, до побічних - вимірювання негативних зображень мікрофотографій. Швидкість росту бактерій залежить від умов і фізіологічного стану самої клітини. При постійних умовах ріст бактеріальної клітини здійснюється з постійною швидкістю.

Ріст бактерій у бактеріальній популяції.

Популяція - (фр. population - населення) - це сукупність бактерій одного виду (чиста культура) або різних видів (змішані асоціації), які розвиваються в обмеженому просторі. Таким простором може бути поживне середовище. В бактеріальній популяції проходить постійно ріст бактерій, розмноження і відмирання клітин. Для спостереженням за розвитком бактеріальної популяції необхідно знати чисельність клітин в популяції або їх біомасу.

При посіві бактерій в сприятливе поживне середовище і вирощуванні їх в оптимальних умовах, умовно виділяють фази росту бактеріальної популяції, які відображають загальну закономірність росту і розмноження бактеріальних клітин.

Перша фаза - лаг - фаза, або лаг - період, починається з моменту посіву бактерій в свіже поживне середовище. В цей період клітини адаптуються до певних умов культивування і досягають оптимальної швидкості росту, тривалість лаг - фази залежить від багатьох факторів: біологічних особливостей бактерій (кишкова паличка володіє коротким періодом, а корені і мікобактерії довшим) віком вихідної культури - якщо культура молодша, то її період коротший. На тривалість періоду істотно впливає склад поживного середовища. Якщо склад поживного середовища, на якому вирощують бактерії, подібний до поживного середовища з якого взяли бактерії для посіву, то лаг - фаза буде коротшою. На тривалість лаг - фази впливає температура і концентрація вуглекислого газу в середовищі. Друга фаза - експотенціальна, логарифмічна. Вона характеризується максимальною швидкістю поділу бактерій. Наростання клітин проходить в геометричній прогресії, після n генерацій кількість клітин складає 2n. В експотенціальній фазі процеси росту протікають збалансовано, тобто подвоєння біомаси супроводжується подвоєнням кількості білка, РНК, ДНК у відносно короткий проміжок часу. Ця фаза є багатостадійною. На початку цієї фази бактерії ростуть на середовищі з великою кількістю поживних речовин, потім концентрація їх знижується, змінюється активність ферментів, зростає вміст клітинних метаболітів. У цій фазі на ріст бактерій впливають також видові особливості, характер поживного середовища (у азотобактера на мінеральномусередовищі з цукром тривалість періоду регенерації 240 хв., а на бульйоні з глюкозою - 27 - 39 хв.), концентрація окремих компонентів середовища( наприклад, концентрація пептону), температура культивування.

Третя фаза - лінійний ріст і фаза негативного прискореного росту. Не всі автори виділяють цю фазу. Лінійний ріст характеризується постійною швидкістю приросту біомаси. Лінійний ріст переходить у фазу негативного прискорення, чисельність клітин які діляться, зменшується. Наявність цієї фази пояснюється якісними змінами складу поживного середовища (використовуються поживні речовини, нагромаджуються продукти метаболізму, змінюється рН середовища, дефіцит О2. Під виснаженням середовища розуміють не дефіцит загальновживаних для бактерій поживних речовин, а зменшення або зникнення специфічних речовин для даного виду бактерій.

Четверта фаза - стаціонарна фаза росту - характеризується рівновагою між відмерлими і новоутвореними клітинами. В стаціонарній фазі спостерігається максимальна величина біомаси і максимальна сумарна чисельність клітин (максимальна життєдіяльність мікробної популяції). Стаціонарна фаза у різних видів бактерій наступає через різні проміжки часу.

Клітини в даній фазі характеризуються незбалансованим ростом (клітинні компоненти синтезуються з різною швидкістю), зменшенням інтенсивності обміняних процесів, більш високою стійкістю до фізичних і хімічних . подразників.

П’ята фаза - відмирання - характеризується зменшенням числа живих клітин, зростанням гетерогенності популяції, появляються клітини „тіні” (не забарвлюються барвниками), клітини з слабким розвитком муреїнового шару і інші. Такий стан мікробної популяції зумовлюється зміною фізико - хімічного середовища та іншими несприятливими для культури факторами.

Шоста фаза - фаза виживання (не всі автори також її виділяють) –характеризується наявністю окремих клітин, які збереглися протягом тривалого часу і проявляють життєдіяльність в умовах загибелі більшості клітин популяції. Якщо пересіятитакі клітини на нове поживне середовище, то вони після лаг - періоду починають активно рости і ділитися.

Цикл росту бактеріальної популяції можна зобразити графічно -крива росту, яка описує залежність логарифмів числа клітин від часу досліду. Така крива росту має S – подібний характер для статичної або періодичної культури, яка розвивається в замкнутому життєвому просторі без додавання клітинного циклу. Як правило, при мономорфному клітинному циклі поділ проходить в площині, перпендикулярній довгій осі клітини.

Схема росту бактеріальної культури:

N — кількість клітин (млн у \ мл); 1g N — те саме в логарифмічному виразі; / — лаг-фаза; // — експоненціальна фаза; /// — фаза сповільнення росту; IV — максимальна стаціонарна фаза; V — фаза відмирання

Під час культивування бактерій в замкненій системі вони весь час перебувають в умовах, що постійно змінюються. Таке культивування дістало назву непротокової культури. Спочатку бактерії мають у надлишку всі поживні речовини, а далі поступово починають відчувати їхню нестачу, одночасно відбувається отруєння клітин продуктами обміну. Все це спричинює зниження швидкості росту мікробної популяції. Однак якщо додавати в середовище свіжі поживні речовини і водночас видаляти культуральну рідину, то бактерії можна утримувати в експоненціальній фазі росту будь-який час. Такий метод покладено в основу протокового (безперервного) культивування мікроорганізмів, яке здійснюється в хемостатах, турбідостатах та інших спеціальних культиваторах.

Суть методу безперервного культивування бактерій і грибів полягає в тому, що вирощувана культура міститься у спеціальному приладі, в який постійно надходить свіже живильне середовище. З такою самою швидкістю з культиватора витікає культуральна рідина з мікробами. Безперервне культивування бактерій в культиваторах автоматично регулюється, а тому воно дуже перспективне, оскільки забезпечує значне збільшення продуктивності цехів при зменшенні затрат праці.

Отже, безперервне культивування мікробів широко використовується не тільки для вивчення їх фізіології, біохімії, генетики тощо, а й інтенсивно впроваджується в практику мікробіологічної промисловості. Нині розроблено низку варіантів проточного культивування різних мікроорганізмів: напівбезперервне, багатоциклічне та ін.

У фізіологічних, цитогенетичних і генетичних дослідженнях часто використовують так звані синхронні культури, в яких усі клітини перебувають на тій самій стадії клітинного циклу. Синхронізація бактеріальної культури здійснюється за допомогою фізичних і хіміко-біологічних методів.

Поиск по сайту: