Рост и размножение микробов. Культивирование и особенности размножения периодических и хемостатных культур.
Интенсивно протекающие в клетке процессы анаболизма и катаболизма приводят к быстрому росту клетки.
Рост бактерий - это упорядоченное увеличение количества и размеров всех компонентов клетки при условии наличия всех необходимых химических элементов, что приводит к увеличению ее массы. Питательные субстраты должны содержать эти элементы в метаболически доступной форме. Рост клетки не беспределен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению или размножению.
Большинство бактерий делится поперечным бинарным делением или цитокинезом. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки. Процесс деления повторяется через приблизительно равные промежутки времени (от нескольких минут до нескольких суток), что является индивидуальной генетической характеристикой микробного вида. В результате размножения резко увеличивается количество клеток в популяции.
Размножение или репродукция у бактерий - это разделение суперспирализованной ДНК нуклеоида на две дочерние нити, каждая из которых далее достраивается комплементарной нитью и одновременно происходит образование двух дочерних клеток (полуконсервативный способ).
Размножение характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваивается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл).
При внесении бактерий в питательную среду они растут и размножаются до тех пор, пока содержание какого-нибудь из необходимых компонентов среды не достигнет минимума, после чего рост и размножение прекращаются. Если на протяжении всего этого времени не прибавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получаем статическую бактериальную культуру. Статическая (периодическая) культура бактерий ведет себя как многоклеточный организм, с генетическим ограничением роста. Если построить график, по оси абсцисс которого отложить время, а по оси ординат — число клеток, то получим кривую, описывающую зависимость числа образующихся клеток от времени размножения, которая называется кривой роста.
Кривая роста бактерий в питательной среде. На этой кривой можно различить несколько фаз, сменяющих друг друга в определенной последовательности (рис. 10):
1. Начальная — лаг-фаза (англ.lag — отставать). Охватывает промежуток времени между посевом бактерий и началом размножения. Ее продолжительность составляет в среднем 2—5 ч и зависит от состава питательной среды, от возраста засеваемой культуры. Во время лаг-фазы происходит адаптация бактериальных клеток к новым условиям культивирования, идет синтез индуцибельных ферментов рибосом.
2
.
Экспоненциальная
(логарифмическая) фаза. Характеризуется
постоянной максимальной скоростью
деления клеток, фаза геометрического
роста с резким ростом численности
популяции микроорганизмов (2 в степени
n). Скорость размножения зависит от вида
бактерий и питательной среды. Время
удвоения клеток называется временем
генерации, которое варьирует от вида
бактериальной культуры: у бактерий рода
Pseudomonas оно равняется 14 мин, а у Mycobacterium
— 24 ч. Величина клеток и содержание
белка в них вовремя экспоненциальной
фазы остаются постоянными. Бактериальная
культура в этой фазе состоит из стандартных
клеток.
3. Стационарная фаза (фаза равновесия размножения и гибели микробных клеток). Наступает тогда, когда число клеток перестает увеличиваться. Так как скорость роста зависит от концентрации питательных веществ, то при уменьшении содержания последних в питательной среде уменьшается и скорость роста. Снижение скорости роста происходит также из-за большой плотности бактериальных клеток, снижения парциального давления кислорода, накопления токсических продуктов обмена. Продолжительность стационарной фазы составляет несколько часов и зависит от вида бактерий и особенностей их культивирования.
4. Фаза отмирания или гибели - уменьшение численности популяции в связи с уменьшением и отсутствием условий для размножения микроорганизмов. Наступает вследствие накопления кислых продуктов обмена или в результате аутолиза под влиянием собственных ферментов. Продолжительность этой фазы колеблется от десятка часов до нескольких недель.
Данная динамика характерна для периодических культур с постепенным истощением запаса питательных веществ и накоплением метаболитов. Постоянное нахождение бактериальной популяции в логарифмической фазе роста наблюдается в непрерывной культуре, что достигается постепенным дозированием поступления питательных веществ, контролем плотности бактериальной суспензии и удалением метаболитов. Такой процесс выращивания микроорганизмов называется проточным культивированием (непрерывная культура). Рост в непрерывной культуре позволяет получать большие массы бактерий при проточном культивировании в специальных устройствах (хемостатах и турбидистатах) и используется при производстве вакцин, а также в биотехнологии для получения различных биологически активных веществ, продуцируемых микроорганизмами.
Культивирование и особенности размножения периодических и хемостатных культур имеют свои особенности:
Периодические культуры. Практически все системы периодического культивирования закрытые, поскольку микроорганизмы в них размножаются и проходят все фазы развития без притока питательной среды и оттока культуральной жидкости. Для этого типа культивирования характерно непрерывное изменение физиологического состояния клеток. Периодическая система может поддерживать размножение клеток только в течение ограниченного времени. После фазы экспоненциального (логарифмического) роста популяция начинает испытывать недостаток элементов питания и угнетается продуктами метаболизма, что ведёт к нарушению физиологического состояния клеток.
Хемостатные культуры. В таких системах все питательные компоненты могут поступать в реактор, в котором выращивается микроорганизм, и удаляться из реактора в виде продуктов синтеза микроорганизмов (антибиотики, витамины, ферменты и т. д.) или биомасса самих микроорганизмов. При этом скорость поступления питательной среды в реактор и удаление из него продуктов синтеза или биомассы можно регулировать. Хемостатный способ культивирования в строго контролируемых условиях является основным для изучения физиологии, биохимии и всех свойств микробных клеток и культур