Скорость размножения прокариот

Скорость размножения прокариот огромна. Время генерации (период от одного деления клетки до другого) при благоприятных условиях для многих бактерий (Escherichia coli, Steptococcus faecalis, Clostridiurn perfringens) составляет 15–20–30 мин, в то время как для клеток млекопитающих в культуре тканей – 1 сутки. За 24 ч у бактерий сменяется столько поколений, сколько у человека за 5000 лет.

При наличии идеальных условий, исключающих гибель клеток, одна бактерия за сутки может образовать массу 4720 т (если принять, что 1 млрд. бактерий имеет массу 1 мг). Столь высокие темпы размножения прокариот способствуют их быстрому расселению на планете. Скорость размножения прокариот зависит от вида микроорганизма, возраста культуры, питательного субстрата, условий аэрации, температуры, влажности и других факторов. При наступлении неблагоприятных условий микробная популяция может в массе погибнуть, но если сохранятся хотя бы 1–2 клетки, то при подходящих условиях они за короткое время вновь образуют огромное количество особей.

Рост бактериальной популяции в статической культуре

Бактериальная популяция в статической культуре, то есть в условиях среды, к которой не добавляют питательные вещества и из которой не выводят продукты обмена, характеризуется рядом особенностей. Течение процессов в статической культуре изучались Умбрайтом и Лейб-Клейтоном в 1909 году. Цикл роста бактериальной популяции в статической культур можно разделить на четыре основные фазы: начальную фазу, экспоненциальную, или логарифмическую фазу, максимальную стационарную фазу и фазу отмирания и выживания.

Лаг-фаза включает период от посева бактерий на свежую питательную среду до достижения ими максимальной скорости роста. В начале лаг-фазы бактерии приспосабливаются к новым условиям. В клетках идет синтез ферментов, нуклеиновых кислот, активизируются обменные процессы. Клетки интенсивно растут и размеры их заметно увеличиваются. Однако деления бактерий на этой стадии почти не происходит. Длительность лаг-фазы зависит от полноценности состава питательной среды и от состояния культуры микроорганизма. Чем полноценнее питательная среда и чем моложе культура бактерий, тем короче лаг-фаза.

Экспоненциальная, или логарифмическая, фаза характеризуется активным делением массы клеток бактериальной популяции. Число клеток возрастает и геометрической прогрессии.

Для выражения общего числа клеток, образующихся в бактериальной популяции, пользуются не абсолютными числами, так как они достигают огромных величин, а логарифмами этих чисел. Логарифмируя, получаем:

Число генераций п можно вычислить из уравнении:

, .

Зная число генераций n и продолжительность опыта (время t), легко вычислить скорость роста бактериальной популяции v

; .

Время, необходимое для одного цикла деления, или время генерации, равно

.

Пример. Если за 10 ч число клеток в суспензии возрастает с 10³ до 10⁹, то это означает, что скорость роста равна:

= ,

а время генерации равно: мин.

Во времени экспоненциальная фаза непродолжительна, и у разных бактерий она длится разное время: для Escherichia coli – 20–30 мин, для азотобактера – 70–80 мин, для клубеньковых бактерий – до 90 мин, для нитрифицирующих бактерий – 5–10 ч. Если бы экспоненциальная фаза длилась 48 ч при времени генерации 20 мин, то одна бактериальная клетка дала бы потомство массой 2,2–10³¹ г, что примерно в 4000 раз превысило бы массу Земли. Однако этого не происходит, так как в статической культуре сбалансированный рост бактерий, когда все компоненты клетки синтезируются в одинаковой степени, наблюдается лишь в самом начале экспоненциальной фазы. В процессе интенсивного роста бактериальной популяции быстро истощается питательная среда, накапливаются токсичные продукты обмена, снижается интенсивность синтеза нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других компонентов клетки. Размеры клеток достигают минимального предела. Все это приводит к замедлению роста бактериальной популяции и переходу ее в следующую фазу.

Максимальная стационарная фаза соответствует периоду, когда число жизнеспособных клеток в бактериальной популяции, достигнув максимального уровня, перестает увеличиваться. Многие бактериальные клетки еще продолжают делиться, но количество вновь образующихся клеток равно количеству погибающих. При этом общая численность бактериальной популяции не изменяется. Время наступления этой фазы в культурах разных микроорганизмов разное. Так, у Escherichia co!i она наступает через 24 ч, а у азотобактера – через 72 ч с момента посева культуры бактерий на свежую питательную среду. К концу стационарной фазы условия роста бактериальной популяции ухудшаются и она переходит в завершающую фазу.

Фаза отмирания и выживания характеризуется массовой гибелью бактерий, скорость их образования. Среди бактериальной популяции возникают инволюционные формы, не дающие потомства. Питательность среда предельно истощается, и в ней накапливается большое количество токсичных веществ и продуктов метаболизма. Большинство клеток бактериальной популяции погибают. В данных неблагоприятных условиях выживают лишь единичные особи, которые переходят в состояние покоя. Бактериальная популяция пребывает в состоянии покоя столько времени, пока культура бактерий не окажется в условиях, благоприятных для ее развития.

Непрерывные культуры микроорганизмов

В 50-е годы XX столетия разработан метод непрерывной, проточной, культуры микроорганизмов. Суть его заключается в следующем. В ферментер или биореактор, где выращивается культура микроорганизмов, постоянно подается свежая питательная среда и одновременно выводятся продукты обмена и накапливающаяся биомасса микробов. Так в ферментере создаются оптимальные условия для поддержания бактериальной культуры в фазе экспоненциального роста на неопределенно долгий период времени.

Для выращивания непрерывной культуры бактерий используются хемостаты и турбидостаты. В хемостатах рост бактериальной популяций контролируется концентрацией питательного раствора по источнику углерода или азота. Чем выше концентрация лимитирующего вещества, тем больше скорость роста бaктериальной популяции. Принцип работы турбидостата основан на регулировании скорости подачи питательной среды плотностью образующейся бактериальной популяции. Плотность последней контролируется фотоэлементом, соединенным с реле, которое регулируют подачу среды.

Метод непрерывной культуры микроорганизмов широко внедряется в различные производства микробиологической промышленности, связанные с получением максимальной биомассы микробов.

Показателем продуктивности культуры служит экономический коэффициент. Он выражается отношением полученной биомассы бактерий, урожая, к количеству потребленного субстрата.

Метод непрерывной культуры применяется в лабораторной практике для изучения физиологии прокариот в строго контролируемых условиях. Синхронные культуры прокариот характеризуются тем, что клетки.