- •Лекция 1 Предмет и задачи микробиологии
- •История микробиологии
- •Лекция 2 Методы микробиологических исследований
- •Положение микроорганизмов в системе живого мира
- •Лекция 3 Систематика микроорганизмов
- •Размеры микроорганизмов
- •Форма прокариот
- •Лекция 4 Структура, химический состав и функции компонентов прокариотной клетки
- •Лекция 5 Покоящиеся формы прокариот. Спорообразование
- •Химический состав бактерий
- •Лекция 6 Рост и размножение бактерий
- •Культивирование микроорганизмов
- •Лекция 7 Генетика бактерий
- •Лекция 8 Потребности прокариот в питательных веществах
- •Питание бактерий
- •Лекция 9 Механизмы питания
- •Ферменты бактерий
- •Общая характеристика метаболизма прокариот
- •Лекция 10 Синтез прокариотами основных клеточных компонентов
- •Дыхание бактерий
- •Брожение
- •Лекция 11 Фотосинтез
- •Молекулярный кислород как фактор эволюции
- •Происхождение, эволюция, место бактерий в развитии жизни на Земле
- •Экологические и биосферные функции бактерий
- •Бактерии в мутуалистических отношениях с другими организмами
- •Патогенные бактерии
- •Лекция 12 Влияние факторов окружающей среды на микрооранизмы
- •Лекция 13 Экология микроорганизмов
- •Рост микроорганизмов в прикрепленном состоянии
- •Микрофлора почвы
- •Микрофлора воды
- •Лекция 14 Микрофлора воздуха
- •Микрофлора тела человека
- •Практическое применение микроорганизмов
- •Проблема загрязнения природных экосистем и возможности самоочищения
- •Принципы биологической обработки отходов
- •Лекция 15 Очистка сточных вод
- •Особенности экосистемы активного ила
- •Обработка осадков сточных вод и твердых отходов
- •Биоремедиация загрязненных почв и грунтов
- •Лекция 16 Классификация водоемов и биоценозов по сапробности
- •Определение сапробности по Пантле и Букку
- •Лекция 17 Санитарная микробиология
- •Санитарно-микробиологическое исследование воды
- •Санитарно-микробиологическое исследование почвы
- •Санитарно-микробиологический анализ воздуха
Лекция 6 Рост и размножение бактерий
1. Для микробиологической диагностики, изучения микроорганизмов и в биотехнологических целях микроорганизмы культивируют на искусственных питательных средах.
Под ростом бактерий понимают увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции как результат скоординированного воспроизведения всех клеточных компонентов и структур.
Увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов обозначают термином "размножение". Оно характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваивается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл) (табл. 6.4)..
В отличие от митотического цикла деления у эукариотов размножение большинства прокариотов (бактерий) идет путем бинарного деления, а актиномицетов — почкованием.
При этом все прокариоты существуют в гаплоидном состоянии, поскольку молекула ДНК представлена в клетке в единственном числе.
При определении числа или массы бактерий пользуются обычно гомогенной суспензией клеток в какой-либо жидкой среде и определяют концентрацию бактерий (число клеток на 1 мл) или плотность бактерий (в мг/мл). На основе данных об увеличении этих показателей в растущей бактериальной культуре можно вычислить константу скорости деления клеток (ее выражают числом удвоений концентрации бактерий за 1 ч) и обратную ей величину-время генерации (интервал времени, за который число клеток удваивается).
Культивирование микроорганизмов
Культура микроорганизмов, состоящая из клеток одного вида – чистая культура. Если видов 2 или более, говорят о смешанной культуре.
При изучении процесса размножения бактерий необходимо учитывать, что бактерии всегда существуют в виде более или менее многочисленных популяций, и развитие бактериальной популяции в жидкой питательной среде в периодической культуре можно рассматривать как замкнутую систему. Такое культивирование называется периодическим, при этом популяция проходит разные фазы своей жизни (Рисунок 6.6):
1-я — начальная, или лаг-фаза, или фаза задержки размножения, — характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их деления остается невысокой;
2-я — логарифмическая, или лог-фаза, или экспоненциальная фаза, — характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток и значительным увеличением числа клеток в популяции;
3-я — стационарная фаза — наступает тогда, когда число клеток в популяции перестает увеличиваться. Это связано с тем, что наступает равновесие между числом вновь образующихся и гибнущих клеток. Число живых бактериальных клеток в популяции на единицу объема питательной среды в стационарной фазе обозначается как М-концентрация. Этот показатель является характерным признаком для каждого вида бактерий;
4-я — фаза отмирания (логарифмической гибели) — характеризуется преобладанием в популяции числа погибших клеток и прогрессивным снижением числа жизнеспособных клеток популяции. Прекращение роста численности (размножения) популяции микроорганизмов наступает в связи с истощением питательной среды и/или накоплением в ней продуктов метаболизма микробных клеток. Поэтому, удаляя продукты метаболизма и/или заменяя питательную среду, регулируя переход микробной популяции из стационарной фазы в фазу отмирания, можно создать открытую биологическую систему, стремящуюся к устранению динамического равновесия на определенном уровне развития популяции.
В периодической культуре условия все время меняются; плотность популяции бактерий возрастает, а концентрация субстрата уменьшается. Во многих физиологических исследованиях представляется, однако, желательным, чтобы клетки могли долгое время находиться в фазе экспоненциального роста при постоянной концентрации субстрата в неизменных прочих условиях. Приблизиться к такому положению можно, многократно и достаточно часто перенося клетки в новую питательную среду или в сосуд, содержащий популяцию растущих бактерий, непрерывно вводить новый питательный раствор и одновременно удалять из него соответствующее количество бактериальной суспензии. Именно такой метод положен в основу непрерывного культивирования в хемостатах и турбидостатах. Такой процесс выращивания микроорганизмов называется проточным культивированием (непрерывная культура).
Рост в хемостате. Хемостат (рис. 6.9) состоит из сосуда-культиватора, в который из особого резервуара поступает с постоянной скоростью питательный раствор.
Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения клеток кислородом и для более быстрого и равномерного распределения питательных веществ, поступающих с новыми порциями раствора. По мере поступления в культиватор питательного раствора из него вытекает бактериальная суспензия.
Рост в турбидостате. От описанной выше непрерывной культуры в хемостате существенно отличается непрерывная культура в турбидостате. Как указывает само название, работа турбидостата основана на поддержании постоянной плотности бактериальной суспензии, или постоянной мутности. Датчик мутности регулирует через управляющую систему поступление питательного раствора. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, и скорость роста бактерий приближается к максимальной. Работа с турбидостатами технически сложнее, чем с хемостатами.
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.
Принципиальные различия. Между классической периодической культурой и непрерывной культурой в хемостате имеются принципиальные различия, которые в заключение следует еще раз подчеркнуть.
Периодическую культуру можно рассматривать как замкнутую систему (в какой-то мере подобную многоклеточному организму), которая в своем развитии проходит четыре фазы – начальную, экспоненциальную, стационарную и фазу отмирания (юность, расцвет, старение и смерть). Условия существования культуры во всех этих фазах различны. Автоматическое регулирование в периодической культуре вряд ли возможно.
Непрерывная культура представляет собой открытую систему, стремящуюся к установлению динамического равновесия. Фактор времени в ней в известной мере исключается. Для организмов создаются неизменные условия среды. Установка легко поддается автоматическому регулированию.
Для изучения метаболических процессов на протяжении цикла клеточного деления возможно также использование синхронных культур — таких культур бактерий, все члены популяции которых находятся в одной фазе цикла. Это достигается с помощью специальных методов культивирования. Однако через несколько одновременных делений синхронизированная клеточная суспензия постепенно снова переходит к асинхронному делению, так что число клеток увеличивается в дальнейшем уже не ступенчато, а непрерывно.