Фазы развития микробной культуры

В непроточных, так называемых периодических опытах, условия существования микроорганизмов иные, и поэтому рост и развитие их подчиняются другим закономерностям.

Микроорганизмы, внесенные в свежую питательную среду, первое время не размножаются, затем постепенно начинается все убыстряющийся рост культуры. Период от засева до достижения максимальной удельной скорости роста называется лаг-фазой (рис. 29). В период лаг-фазы (первая фаза) клетки не только сами адаптируются к новым условиям, но и частично изменяют среду, делая ее более пригодной для себя. От того, насколько питательная среда пригодна для роста микроорганизмов, зависит длительность лаг-фазы. Чем полноценнее среда, тем короче лаг-фаза. Большое значение имеет количество и возраст посевного материала. По данным Л. И. Работновой, при достаточно высокой дозе молодого посевного материала культура сразу приступает к делению, минуя лаг-фазу.

Перед началом деления клеток размер их увеличивается. В этот период скорость роста культуры опережает скорость размножения: биомасса растет, а число клеток остается постоянным. В период лаг-фазы интенсивно синтезируются адаптивные ферменты, нуклеиновые кислоты, белки, в клетках увеличивается процент воды. Как только количество РНК в клетке достигнет достаточно высокого уровня, начинается ее деление. К концу лаг-фазы уд ельная скорость роста становится максимальной, а абсолютная только начинает увеличиваться. Во второй фазе удельная скорость роста остается постоянной, а абсолютная скорость быстро возрастает. В этот период число клеток возрастает по экспоненте, а логарифм числа—линейно (см. рис. 29). Экспоненциальная фаза переходит в фазу линейного роста. Переход связан с резким снижением удельной скорости роста. При этом абсолютная скорость продолжает еще незначительно возрастать и достигает максимума.

Количество клеток в третью фазу интенсивно возрастает, а логарифм числа клеток незначительно увеличивается.

Следующая, четвертая фаза, называется фазой замедления роста. Относительная и абсолютная скорости роста падают. Прирост биомассы идет менее интенсивно. Культура переходит к пятой, стационарной фазе. В течение стационарной фазы количество живых клеток в культуре сохраняется примерно постоянным, т. е. число вновь образующихся клеток равно числу отмирающих. Когда количество живых клеток перестает возрастать, общее число микроорганизмов еще продолжает увеличиваться за счет того, что отмершие клетки лизируются не сразу. Шестая фаза носит название фазы отмирания. Абсолютная и относительная скорости роста становятся отрицательными величинами. Количество отмирающих клеток превышает количество образующихся. Начинается автолиз клеток, и биомасса культуры снижается.

В процессе роста культур изменяется морфология клеток, их химический состав и физиологическое состояние. Как уже говорилось, в период лаг-фазы клетки увеличиваются в размерах, в них возрастает содержание РНК, белка, они оводняются, повышается их восприимчивость к красителям, обладающим основными свойствами, которая сохраняется и в период экспоненциальной фазы. В клетках накапливаются запасные питательные вещества. Быстрорастущие клетки интенсивнее потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена. В этот период клетки более отзывчивы на изменение окружающей среды; они легче синтезируют адаптивные ферменты и более чувствительны к неблагоприятным воздействиям: повышенной температуре, токсичным веществам и др. В период замедления роста содержание РНК в клетках начинает уменьшаться, и клетки в связи с этим лучше окрашиваются кислыми красителями. Активность микроорганизмов падает.

Как было показано на примере роста микроорганизмов в проточных условиях, переход клеток от экспоненциального роста к замедленному и в дальнейшем полное прекращение роста не обязательно. Культура может неопределенно долго задержаться на стадии интенсивного роста и высокой физиологической активности.

Рост культуры ограничивается различными факторами внешней среды и в зависимости от того, какой из них неблагоприятен для микроорганизмов, их защитная реакция может быть направлена на синтез различных продуктов. Например, образование антибиотиков—следствие искаженного обмена веществ, вызванного недостатком тех или иных питательных веществ. Создавая соответствующие условия, можно остановить развитие культуры на любой точке кривой роста и таким образом заставить «работать» микроорганизмы с наибольшей эффективностью. В любом случае для управления процессами жизнедеятельности микроорганизмов необходимо глубокое знание их обмена веществ на всех стадиях развития и, как следствие этого,— изучение различных факторов, действующих на жизнедеятельность микроорганизмов.