«Рост за пределы особи» Итак, перед нашими глазами прошли главные персонажи эффектного эволюционного спектакля, который вывел на сцену жизни множество совершенно удивительных существ. При всех тех различиях, которые придают бесспорное своеобразие каждой обширной

Рост и размножение микроорганизмов Как сказал известный французский физиолог XIX века Клод Бернар, жизнь есть творение. Живые организмы отличаются от неживой природы главным образом тем, что растут и размножаются. Их рост и размножение лучше всего наблюдать у таких

Микробы ускоряют рост растений В различных органах растений образуются вещества, регулирующие и до известной степени ускоряющие их рост. К таким веществам относится, например, f3-индолилуксусная кислота (гетероауксин).Интересно, что гетероауксин вырабатывают и выделяют

«Роскошный рост» Escherichia coli обитала в организме наших предков на протяжении миллионов лет еще тогда, когда предки эти вовсе не были людьми. Но только в 1885 г. вид Homo sapiens и его жильцы были официально представлены друг другу. Немецкий педиатр по имени Теодор Эшерих занимался

1. Размножение - это рост, наследственность и развитие Размножение - одно из самых специфических и самых сложных свойств жизни. Это и естественно, так как в эволюции отбор идет именно на эту способность: в борьбе за существование побеждают те организмы, которые

Размножение — это увеличение числа особей. Наиболее распространенное — бинарное деление, в результате которого материнская клетка делится с образованием 2-х дочерних. Процессу деления предшествует репликация ДНК.
Существует 2 типа бинарного деления:
- перетяжкой — кострикция (для Г-). В начале деления в центре клетки происходит инвагинация оболочки и образование 2-х дочерних клеток.
- с помощью поперечной перегородки (для Г+).
В процессе бинарного деления образуются 2 одинаковые по размеру клетки (равновеликое бинарное деление). Имеет место симметрия продольной и поперечной оси. Разновидностью бинарного деления является множественное, оно характерно для цианобактерий.Под клеточной оболочкой происходит множественное бинарное деление, образовываются басоциты (до 1000), материнская оболочка лопается и басоциты выходят во внешнюю среду.
Разновидностью бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. Сначала образовывается почка, растет, закладывается перегородка и почка может оторваться. Симметрия наблюдается в продольной оси. Почкующиеся прокариоты имеют индивидуальность и подвержены старению. Материнский организм не меняется.
Бинарное деление может проходить в одной или нескольких плоскостях, что приводит к образованию различных морфологичных структур.

Размножение спорами

Среди прокариот существует группа м/о (актиномицеты), которые размножаются спорами (экзогенные).
Артроспоры образовываются в результате деления гиф на фрагменты. Могут размножаться с помощью гиф, но он должен содержать нуклеоид. Период от деления к делению называется онтогенезом. Выделяют несколько типов вегетативного клеточного цикла:
- мономорфный цикл;
Клетка от деления к делению находится в одном морфологическом состоянии.
- диморфный цикл;
Возникают 2 морфологических вида клеток.
- полиморфный тип;
Образует несколько типов (в процессе роста меняет свою форму). Например, коринебактерии, микобактерии, артробактерии.
Под ростом м/о понимают увеличение биомассы клетки. Оно должно сопровождаться увеличением всех компонентов клетки. Если у высших организмов увеличение увеличение размера особи сопровождается увеличением числа клеток, то у бактерий различают 2 типа:
индивидуальный рост;
рост бактерии в популяции.
Индивидуальный рост — рост клетки в процессе ее онтогенеза. Размеры клеток можно определить прямым методом, с помощью микрометров, которые встроены в систему микроскопа. А также косвенный метод, который позволяет измерять негативные изображения микрофотографий. Ошибка — 10-15%. Существуют формулы измерения объема сферической клетки:

Для эллипсоидных:

Где а — малая диагональ (половина ширины клетки), b — большая диагональ (половина длинны клетки).
Для цилиндрических клеток:

Цилиндрические формы с закругленными концами:

Скорость роста клетки определяется во многом внешними данными. Чем более оптимальная среда, тем выше скорость роста. При постоянных условиях — рост постоянный.

Где V — объем клетки в момент времени t, V0 — начальный объем клетки, С — постоянная скорость роста, е — основание натурального логарифма, t — время наблюдения.

Рост бактерий в бактериальной популяции

Популяция — совокупность бактерий одного вида или нескольких видов (смешанная ассоциация), которые развиваются в ограниченном пространстве в закрытой или замкнутой системе. Культивирование м/о в закрытой системе — периодическое культивирование. Развиваясь в закрытой системе, популяция м/о ведет себя как многоклеточный организм, имеющий генетическое ограничение роста.
Рост бактерий в бактериальной популяции можно представить в виде графика, в котором можно показать зависимость числа клеток от времени (кривая роста).

В кривой можно выделить несколько фаз.
1. Лаг-фаза (начальная). Количество клеток не изменяется. В этот период идет адаптация клеток к тем условиям, в которые они были помещены. Клетки синтезируют индуцибельные ферменты, с помощью которых клетки утилизируют источники питания. Длительность фазы зависит от возраста (молодые клетки растут быстрее), биологических особенностей культуры, полноценности питательной среды.
2. Фаза задержки размножения. Скорость размножения не велика.
3. Фаза логарифмического роста. Самая максимальная скорость размножения. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии.

Зная n и t, можно узнать время одной генерации:

Константа скорости размножения:

Иногда встречаются 2 лаг- и лог-фазы (диауксия, которая связана с тем, что в ПС могут находиться 2 источника питания, например, глюкоза и сорбит и м/о сначала будут утилизировать глюкозу).
4. Фаза отрицательного ускорения. Замедление размножения клеток.
5. Фаза стационарного роста. Скорость роста равна скорости отмирания клеток, то есть количество клеток не увеличивается.
Причиной отмирания является истощение питательных компонентов, изменение рН среды, накопление продуктов метаболизма и т.д. Количество клеток, которое культура достигает в стационарной фазе — макимальное. Это количество клеток называется урожаем.

Определяется объемом среды, плотностью или количеством клеток и условиями культивирования.
Фаза ускоренной гибели.

Скорость отмирания больше, чем скорость размножения, но она не достигает максимума.
7. Стадия логарифмической гибели. Культура либо погибает, либо переходит в состояние анабиоза.
В промышленном масштабе используют непрерывное культивирование при сохранении полной стерильности систему делают открытой. Вносят питательные компоненты и убирают продукты метаболизма. Это необходимо для того чтобы поддерживать культуру в определенной стадии роста.
Например: а/к, которая продуцируется м/о в логарифмической фазе роста. Можно регулировать состояние путем контроля плотности клеток, и путем потребления основных источников углерода и азота. Если происходит контроль развития культуры по плотности, то культуру выращивают в турбидостатах, если по источнику питания — хемостата.

Получение синхронных культур

Синхронные культуры — совокупность клеток, которые делятся одновременно за счет одинаковой готовности к росту и делению всех клеток.

Методы синхронизации культуры.
Можно использовать центрифугирование, чтобы отделить крупные клетки от мелких. Химико-биологический метод — вынужденное голодание клеток на неполноценных средах с последующим переносом их на полноценные ПС. Культура начинает синхронно делится. Используется в научных исследованиях.

Клетки, как любой живой организм, рождаются, живут и умирают. Рост и размножение бактерий происходит очень быстро, они могли бы захватить все жизненное пространство на планете, если бы не их хрупкость и сдерживающие факторы (температура, уровень кислотности среды, отсутствие пищи и т. д.). При благоприятных условиях удвоение клетки занимает в среднем около получаса. Однако в критических ситуациях некоторые виды микроорганизмов (спорообразующие бактерии) способны образовывать споры и «впадать в спячку» на довольно длительный период.

Быстрое размножение бактерий имеет свои плюсы и минусы. Использование микроорганизмов в биотехнологиях (дрожжи, молочнокислые, азотфиксирующие организмы, плесневые грибки и т. д.) направлено на улучшение качества жизни. Однако неконтролируемый рост болезнетворных (патогенных) микробов опасен для людей. Навредить здоровью может и собственная микрофлора человека. В медицине существует понятие синдрома избыточного бактериального роста, при котором количество условно-патогенных микробов в организме человека резко увеличивается, что представляет угрозу для здоровья.

С чего все начинается

Рост и размножение клетки – это два различных процесса. Под ростом понимают увеличение массы клетки вследствие формирования всех клеточных структур. Размножение – это увеличение количества клеток в колонии. Различают бинарное деление, почкование и генетическую рекомбинацию (процесс, напоминающий половое размножение).

Большинство прокариотических (безъядерных) клеток, к которым принадлежат все бактерии, размножается путем разделения надвое (бинарное деление). Таким способом размножаются, например, молочнокислые бактерии. Процесс начинается с удвоения бактериальной хромосомы (молекула ДНК, заменяющая ядро) и протекает в несколько этапов:

• клетка удлиняется;
• наружная оболочка «врастает» внутрь и образует поперечную перегородку (перетяжку);
• две новые (дочерние) клетки расходятся в разные стороны.

В результате получаются два идентичных организма.

Отдельные микроорганизмы делятся почкованием, но это скорее исключение из общего правила. Процесс заключается в образовании на одном из полюсов клетки короткого выступа, в который «дрейфует» одна из половин разделившегося нуклеоида (молекулы ДНК с генетической информацией). Затем выступ разрастается и отделяется от материнской клетки.

Есть еще вариант, напоминающий половое размножение, – генетическая рекомбинация. В этом случает происходит обмен генетической информацией и в результате получается клетка, содержащая гены своих родителей. Существуют три способа передачи генетической информации:

• конъюгация – прямая передача (не обмен) части ДНК при контакте от одной бактерии к другой (процесс идет только в одном направлении);
• трансдукция – перенос фрагмента ДНК с помощью бактериофага (вируса бактерий);
• трансформация – поглощение генетической информации отмерших или уничтоженных клеток из окружающей среды.

Таким образом, только в результате бинарного деления и почкования получаются идентичные друг другу клетки. При генетической рекомбинации клетка претерпевает изменения, вырабатывая новые свойства и получая другие функции.

Скорость и фазы роста микроорганизмов

В питательных средах рост и размножение бактерий проходят в несколько стадий, различных по количеству доступной пищи и накоплению отходов жизнедеятельности:

1. Первая фаза (латентная) определяется факторами адаптации к питательной среде. В это время микроорганизмы только осваиваются с новыми условиями. Рост бактерий не наблюдается.
2. Вторая фаза (экспоненциальная) характеризуется ростом в геометрической прогрессии (увеличение по экспоненциальной кривой). В этот период бактериальные клетки активно растут, используя всю доступную пищу (максимальная скорость роста). Достигнув определенного размера, бактерия начинает делиться, причем процесс размножения протекает с постоянной скоростью, так как запасов пищи пока достаточно. В результате увеличившейся скорости роста и размножения происходит накопление в среде отходов жизнедеятельности (токсинов). К концу фазы скорость роста начинает уменьшаться.
3. Третья фаза характеризуется стационарным ростом, т. е. количество «новорожденных» клеток совпадает с числом отмерших. Кривая роста и размножения на этом отрезке больше не поднимается. Скорость роста замедляется. Какое-то время общая численность бактерий в питательной среде остается неизменной. Однако за счет появления новых «членов семьи» запасы питательных веществ уменьшаются, а токсичность среды увеличивается. Этот процесс ухудшает условия жизни всей колонии.
4. Четвертая фаза – отмирание микроорганизмов – возникает в результате катастрофического уменьшения пищи и увеличения токсичности среды. Количество живых организмов неуклонно уменьшается, в конце концов, жизнеспособных клеток становится меньше, чем их отмерших собратьев.

Скорость кинетического роста бактериальной колонии во многом зависит от вида бактерий, состава питательных сред, количества посеянных (внесенных в среду) клеток, возраста культуры, способа дыхания и еще ряда факторов. Например, для размножения молочнокислых бактерий важно поддержание температур в довольно узком диапазоне (25-30⁰С) и определенный уровень кислотности среды (рН). Для размножения аэробных и анаэробных клеток решающим фактором становится наличие или отсутствие кислорода для дыхания, а спорообразующим клеткам необходимо достаточное количество пищи.

Условия выращивания микробов в искусственных средах

Для изучения (медицина, микробиология) и использования (промышленность) выращивают бактериальные культуры на искусственных питательных средах, которые разделяются по консистенции, происхождению и назначению:

• жидкие, полужидкие и плотные (твердые) искусственные среды;
• среды животного, растительного происхождения или синтетические (химически чистые соединения в строго определенной концентрации);
• обычные (универсальные), дифференциальные (различаются по видам бактерий), специальные, избирательные или среды обогащения (подавляющие рост нежелательных микробов).

Существуют бактерии, которым требуются особые условия. Например, анаэробные микроорганизмы (как спорообразующие, так и не спорообразующие) культивируют в анаэробных условиях (без кислорода). Для аэробных клеток решающим фактором размножения становится кислород. Факультативные анаэробы способны менять способ дыхания в зависимости от условий. Спорообразующие аэробные организмы, используемые для получения пробиотиков, очень чувствительны к уменьшению питания и его качеству. Спорообразующие анаэробы требуют полного отсутствия кислорода. Основной принцип культивирования микроорганизмов – создание благоприятных условий (питание, дыхание, температура), что иногда представляет определенные трудности.

Так, для выращивания анаэробов применяют метод глубокого посева, т. е. культуру бактерий вносят в глубину плотной питательной среды, добавляют в атмосферу роста химические вещества, поглощающие кислород, или откачивают воздух, замещая его инертным газом. В случае со спорообразующими бактериями используют внесение в питательную среду ингибитора белкового синтеза, тем самым останавливая процесс спорообразования.

Культивирование микроорганизмов

Под культивированием понимают искусственное выращивание клеток в контролируемых условиях. Конечная цель – получение биопрепарата из бактерий или с помощью бактерий. Такие препараты могут быть лечебными, диагностическими, профилактическими. Существует несколько методов культивирования:

1. Стационарный способ характеризуется постоянством среды, какое-либо вмешательство в процесс отсутствует. Однако при таком методе культивирования в жидких питательных средах анаэробные организмы дают незначительный выход.
2. Метод глубинного культивирования используют в промышленности для выращивания бактериальной биомассы. Для этой цели применяют специальные емкости. Факторами роста являются поддержание температуры и подача в жидкие среды питательных веществ. Кроме того, при необходимости проводят перемешивание или подачу кислорода (для дыхания аэробных бактерий).
3. Метод проточных сред (промышленное культивирование) основан на постоянном поддержании культуры в экспонентной фазе роста. Это достигается непрерывным внесением питательных веществ и выведением токсичных отходов жизнедеятельности клеток. Такая технология позволяет достичь максимального выхода различных биологически активных веществ (антибиотические препараты, витамины и т. д.).

Одним из важнейших промышленных препаратов является культура молочнокислых бактерий, которые используются для приготовления молочной закваски, квашения капусты, силосования кормов, производства заменителя плазмы крови. Для получения гарантированного конечного результата нужно строго контролировать получаемое качество молочнокислых бактерий.

Нужны соответствующая питательная среда и препарат с чистой культурой молочнокислых бактерий, выращенной в лабораторных условиях. Далее процесс культивирования оставляют до момента наступления третьей фазы (равновесия), после чего можно приступать к сбору «урожая» молочнокислых бактерий.

Синдром избыточного бактериального роста

Не всегда рост бактериальных клеток приносит пользу, излишнее увеличение популяций бактерий в организме человека может быть опасным для здоровья. Нарушение качественного и количественного состава микрофлоры кишечника называют клиническим синдромом избыточного роста бактерий. Медики утверждают, что использовать для описания этого процесса термин «дисбактериоз» не совсем корректно. Дело в том, что количество полезных для организма анаэробных бактерий (бифидобактерии) действительно уменьшается, но число условно-патогенных клеток (например, аэробной кишечной палочки) увеличивается.

На разных участках желудочно-кишечного тракта обитают различные бактерии. В тонком кишечнике по мере продвижения постепенно меняется состав микрофлоры и количество микроорганизмов. Аэробные (растущие в кислородной среде) виды бактерий постепенно уступают место анаэробным (бескислородная среда). При клиническом синдроме избыточного роста бактериальный спектр смещается в сторону грамотрицательных (большинство патогенных), факультативно-аэробных и анаэробных организмов.

По мере приближения к толстой кишке увеличивается количество анаэробных бактерий (бифидобактерии и бактероиды). Основные представители анаэробной микрофлоры – бифидобактерии – отвечают за синтез белков, витаминов группы В, различных кислот и других необходимых для жизни веществ. Аэробные микроорганизмы (кишечная палочка) вырабатывают целый ряд витаминов и кислот, участвующих в пищеварении и поддерживающих иммунитет.

Молочнокислые бактерии – еще один представитель кишечной микрофлоры. Они относятся к микроаэрофильным организмам, т. е. одним из факторов роста и размножения молочнокислых бактерий является кислород, но в очень небольших количествах. Эти микроорганизмы отвечают за регулирование кислотности желудочно-кишечного тракта, благодаря чему тормозится рост гнилостных бактерий.

Каждый вид бактерий выполняет свою, четко обозначенную функцию. При синдроме избыточного роста фекальная микрофлора, в нормальных условиях обитающая в толстом кишечнике (кишечная палочка или анаэробные клетки), попадает в тонкую кишку. Меняется количественный и качественный состав бактериальной микрофлоры, выполнение некоторых функций замедляется или становится невозможным. Появляются условия для роста и размножения патогенных бактерий.

Клинические критерии заболевания

Критерием развития синдрома избыточного бактериального роста могут служить:

• нарушение пищеварения, снижение иммунитета, изменение кислотности желудка;
• нарушение целостности кишечного тракта;
• последствия оперативного вмешательства;
• заболевания желудочно-кишечного тракта;
• стрессы;
• неконтролируемый прием антибиотических препаратов.

Клинические проявления синдрома избыточного роста бактерий легко спутать с другими заболеваниями, зачастую они наслаиваются друг на друга, полностью искажая картину. Поставить диагноз в таких случаях можно только с помощью специальных тестов, направленных на выявление синдрома избыточного роста, определяющих не только количество, но и видовую принадлежность бактерий. Такой подход позволит подобрать необходимые медикаментозные препараты для коррекции состава микрофлоры.

Клинические симптомы заболевания:

• на ранней стадии болезни появляется диарея и метеоризм;
• вздутие живота и спазматические боли;
• утомляемость, слабость;
• быстрое похудение.

Для лечения синдрома избыточного роста применяют антибактериальные препараты. В дальнейшем для восстановления микрофлоры понадобятся пробиотические и пребиотические препараты.

Большое разнообразие бактериальных клеток (автотрофы и гетеротрофы, аэробные и анаэробные, спорообразующие и неспорообразующие и т. д.) диктует определенные условия для их размножения. Основной принцип культивирования в промышленных масштабах – строгий контроль условий среды и скорости роста. В природе редко существуют идеальные среды для развития микроорганизмов. В противном случае бактерии давно заполонили бы все доступное пространство.

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.