Рост и размножение бактерий. Фазы размножения

Под ростом бактериальной клетки следует понимать увеличение массы ее цитоплазмы, которое происходит в результате синтеза клеточного материала в процессе питания. Рост популяции бактерий проходит 4 стадии: 1) лаг-фаза, 2) экспоненциальная или логарифмическая фаза, 3) стационарная фаза, 4) фаза отмирания.

ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Наступает после того, как в среду внесен посевной материал. Это период адаптации бактерий к питательной среде, когда происходит дифференциальная активация экзо- и эндоферментов для последующего осуществления ферментсубстратной реакции. При стабильном содержании ДНК отмечается резкое повышение бактериального белка и РНК.

ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Длительность лаг-фазы, как правило, непродолжительное, измеряется часами и зависит от вида бактерий, кратности посева на данную среду, состояния культуры, температуры, используемой для выращивания, состава питательной среды. При отсутствии видимых проявлений роста в лаг-фазе происходит увеличение биомассы, в результате чего размер бактериальной клетки возрастает в несколько раз.

ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Достигнув определенного размера, «накопив» нужное количество белка, РНК и ДНК, активировав экзо- и эндоферменты, бактериальная клетка начинает активно делиться. Размножение бактерий происходит путем поперечного деления клетки.

ФАЗА ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО РОСТА (5 - 6 часов) Это фаза размножения, осуществляемая посредством бинарного деления материнской клетки на две дочерние. «Цепная реакция прогрессивно ускоряющегося бинарного деления бактериальных клеток приводит к быстрому нарастанию бактериальной массы в питательной среде, интенсивному расходованию ее энергетического субстрата и накоплению продуктов бактериального метаболизма.

СТАЦИОНАРНАЯ ФАЗА РОСТА В результате среда становится все более неблагоприятной для дальнейшего роста и размножения бактерий. Во время стационарной фазы скорость размножения остается постоянной. В зависимости от вида культивируемых бактерий может длится долго, после чего наступает четвертая стадия –

ФАЗА ОТМИРАНИЯ Фаза отмирания характеризуется прогрессивным отмиранием бактериальных клеток по логарифмическому типу. Продолжительность этой фазы – от 48 часов до нескольких недель.

Характер роста бактерий на жидких питательных средах различен - диффузное помутнение питательной среды, - образование пленки или осадка (придонный рост), - рост в виде «комочка ваты» . Характер роста на жидкой питательной среде используется для дифференциации бактерий.

Питательные среды Для культивирования бактерий в лабораторных условиях применяются искусственные питательные среды различного состава. Обычные или простые питательные среды (мясо-пептонный агар, мясопептонный бульон) используются для начальных посевов (первичных). К сложным относятся элективные и дифференциально - диагностические питательные среды.

Питательные среды Элективные среды обеспечивают рост только определенного вида микроорганизмов, при этом сопутствующая микрофлора подавляется специальными добавками. Дифференциально-диагностические питательные среды используют для изучения биохимических свойств микроорганизмов и дают возможность дифференцировать бактерии по ферментативной активности.

КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ По мере изучения и выделения новых видов бактерий, каждая вновь создаваемая классификаций отражала уровень развития науки. Классификация микроорганизмов, то есть систематизация всех известных видов, основывалась на ряде признаков:

Последовательность определения микроорганизма I. К какому царству принадлежит – прокариот или эукариот II. К какой из основных категорий относится: 1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 3. Эубактерии, лишенные клеточных стенок. 4. Архебактерии.

Всего известно 35 групп микроорганизмов III. К какой группе внутри 4 -х категорий принадлежит микроорганизм: 1. Спирохеты 2. Аэробные /микроаэрофильные, подвижные, спиралевидные/, виброидные, грамотрицательные бактерии. 3. Неподвижные грамотрицательные, изогнутые бактерии. 4. Грамотрицательные, анаэробные, микроаэрофильные палочки и кокки.

I. грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточную стенку 5. Факультативные анаэробные, грамотрицательные палочки. 6. Грамотрицательные, анаэробные, прямые, изогнутые и спиралевидные палочки. 7. Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстановление сульфата или серы. 8. Анаэробные грамотрицательные кокки. 9. Риккетсии и хламидии.

I. грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточную стенку 10. Аноксигенные фототрофные бактерии. 11. Оксигенные фототрофные бактерии. 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии. 13. Почкующиеся и/или образующие выросты бактерии. 14. Бактерии, имеющие чехлы. 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, не образующие плодовых тел. 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела.

II. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 1. Грамположительные кокки. 2. Образующие эндоспоры грамположительные палочки и кокки. 3. Не образующие спор грамположительные палочки правильной формы. 4. Не образующие спор грамположительные палочки неправильной формы. 5. Микобактерии. 6. Актиномицеты.

IV. Архебактерии. 1. Метаногены. 2. Сульфатредуцирующие археи. 3. Экстремально галофильные архебактерии. 4. Архебактерии, лишенные клеточной стенки. 5. Экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболирующие S

Последовательность определения микроорганизма IV. К какому роду относится микроорганизм. V. К какому семейству относится микроорганизм. VI. К какому виду относится микроорганизм.

Построение таксономического названия микроорганизма. 1. ЦАРСТВО 2. КАТЕГОРИЯ. 3. ГРУППА. 4. РОД. 5. СЕМЕЙСТВО. 6. ВИД

Достоинства современной классификации микроорганизмов Созданная на сегодняшний день филогенетическая систематизация имеет все достоинства и недостатки классификации, построенной на одном признаке. К достоинствам следует отнести почти полную идентичность результатов, получаемых в различных лабораториях мира. Для установления видовой принадлежности еще и дополнительно стали оценивать степень гомологии ДНК-ДНК, используя типовые штаммы.

Недостатки имеющейся классификации микроорганизмов. Недостаток имеющейся классификации в том, что она не дает представление о функциях бактерий. Поэтому сейчас большое значение для практических микробиологов имеет создание фенотипической или функциональной классификации. Для быстрого определения таксономического положения микроорганизмов используют «Определитель Берджи» . Это справочное издание постоянно пополняется новыми группами изолятов и периодически переиздается. Сейчас актуально 11 издание.

Формирование современной классификации микроорганизмов. На современном этапе идентификация филогенетического положения прокариот, в том числе некультивируемых, развивается на основе нуклеотидных последовательностей 16 S-р РНК. Усовершенствованная методика секвенирования и обработки данных сделала этот подход практически безальтернативным при определении родовой принадлежности новых организмов. Описание новых таксонов бактерий в последние 50 лет проходит очень быстрыми темпами, благодаря успехам в изучении анаэробов.

Отличие классификации от идентификации Кроме классификаций, в микробиологии существуют схемы идентификации выделенных культур бактерий. Для построения схемы идентификации выбирают такие признаки микроорганизмов, которые легко определить, а для классификации, часто требуют применения сложные методы. При этом схема идентификации должна включать малое число признаков, а для таксономического определения в классификации используют как можно большее число признаков.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. ВЫ ПРОСЛУШАЛИ ЛЕКЦИЮ № 3 ПО МИКРОБИОЛОГИИ НА ТЕМУ: «РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ. ЭВОЛЮЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ» .

Рост и размножение бактерий. Механизм и скорость размножения. Фазы размножения микробов.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Рост и размножение бактерий. Механизм и скорость размножения. Фазы размножения микробов.
Рубрика (тематическая категория)	Культура

1. Понятия роста и размножения бактерий

2.Бактериальная популяция

3.Колонии

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 всœех клеточных компонентов и структур.
Размещено на реф.рф
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).

В отличие от митотического цикла делœения у эукариотов раз­множение большинства прокариотов (бактерий) идет путем бинарного делœения, а актиномицетов - почкованием. При этом всœе прокариоты существуют в гаплоидном состоянии, поскольку молекула ДНК представлена в клетке в единствен­ном числе.

2. При изучении процесса размножения бактерий крайне важно учитывать, что бактерии всœегда существуют в виде более или менее многочисленных популяций, и развитие бактериальной по­пуляции в жидкой питательной среде в периодической культуре можно рассматривать как замкнутую систему.

В этом процессе выделяют 4 фазы :

‣‣‣ 1-я - начальная, или лаг-фаза, или фаза задержки размноже­ния, - характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их делœения остается невысокой;

‣‣‣ 2-я - логарифмическая, или лог-фаза, или экспоненциальная фа­за, - характеризуется постоянной максимальной скоростью делœе­ния 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 объёма 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. По этой причине, 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 определœенном уровне развития популяции.

Такой процесс выращивания микроорганизмов принято называть 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.

Для изучения метаболических процессов на протяжении цикла клеточного делœения возможно также использование синхронных культур - таких культур бактерий, всœе члены популяции кото­рых находятся в одной фазе цикла. Это достигается с помощью специальных методов культивирования.

При этом через несколько одновременных делœений синхронизи­рованная клеточная суспензия постепенно снова переходит к асинхронному делœению, так что число клеток увеличивается в дальнейшем уже не ступенчато, а непрерывно.

3. При культивировании на плотных питательных средах бакте­рии образуют колонии - видимое невооруженным глазом скопле­ние бактерий одного вида, являющееся чаще всœего потомством одной клетки.

Колонии бактерий разных видов отличаются :

‣‣‣ формой;

‣‣‣ величиной;

‣‣‣ прозрачностью;

‣‣‣ цветом;

‣‣‣ высотой;

‣‣‣ характером поверхности и краев;

‣‣‣ консистенцией.

Характер колоний - один из таксономических признаков бактерий.

44. Определœение и сущность понятий "биосфера" и "биоценоз". Современные представления об эволюции микробов.

В природе микроорганизмы заселяют практически любую среду (почва, вода, воздух) и распространены гораздо шире, чем другие живые существа. Благодаря разнообразию механизмов утилизации ис­точников питания и энергии, а также выраженной адаптации к внеш­ним воздействиям, микроорганизмы могут обитать там, где другие формы жизни не выживают.

Естественные среды обитания боль­шей части организмов - вода, почва и воздух. Число микроорга­низмов, обитающих на растениях и в организмах животных, зна­чительно меньше. Широкое распространение микроорганизмов свя­зано с лёгкостью их распространения по воздуху и воде; в частности, поверхность и дно пресноводных и солёных водоёмов, а также не­сколько сантиметров верхнего слоя почвы изобилуют микроорганиз­мами, разрушающими органические вещества. Меньшее количество микроорганизмов колонизирует поверхность и некоторые внутрен­ние полости животных (к примеру, ЖКТ,. верхние отделы дыхатель­ных путей) и растений.

В зонах обитания микроорганизмы образуют биоценозы [от греч. bios, жизнь, + koinos, сообщество] - слож­ные ассоциации со специфическими и часто необычными взаимоот­ношениями. Каждое микробное \\сообщество в конкретном биоценозе образуют специфичныеаутохтонные микроорганизмы [от греч. autos, свой, + chthon, страна, местность], то есть микробы, прису­щие конкретной области.

Симбиоз [от греч. symbiosis , совместное проживание] - совместное долгое существова­ние микроорганизмов в долгоживущих сообществах. Взаимоотношения, при которых микроор­ганизм располагается вне клеток хозяина (более крупного организма), известны как эктосимбиоз: при локализации внутри клеток - как эндосимбиоз. Типичные эктосимбиотические микробы - Escherichia coli, бактерии родов Bacteroides и Bifidobacterium, Proteus vulgaris, а также другие представители кишечной микрофлоры. Как пример эндосимбиоза можно рассмат­ривать плазмиды, обеспечивающие, к примеру, резистентность бактерий к ЛС. Симбиотические отношения также разделяют по выгоде, получаемой каждым из партнёров.

Мутуализм [от лат. mutuus, взаимный] - взаимовыгодные симбиотические отношения. Так, микроорганизмы вырабатывают БАВ, необходимые организму хозяина (к примеру, витамины группы В). При этом обитающие в макроорганизмах эндо- и эктосимбионты защищены от неблагоприятных условий среды (высыхания и экстремальных температур) и имеют постоян­ный доступ к питательным веществам. Из всœех видов мутуализма наиболее удивительно куль­тивирование некоторых грибов насекомыми (жуками и термитами). С одной стороны, это способствует более широкому распространению грибов, с другой - о \

mjбеспечивает постоян­ный источник питательных веществ для личинок. Это напоминает выращивание человеком полезных растений и микроорганизмов.

Комменсализм - разновидность симбиоза, при которой выгоду извлекает только один парт­нер (не принося ʼʼвидимогоʼʼ вреда другому); микроорганизмы, участвующие в таких взаимо­отношениях, - комменсалы [от лат. сот-, с, + mensa, стол; буквально - сотрапезники]. Микроорганизмы-комменсалы колонизируют кожные покровы и полости организма человека (к примеру, ЖКТ), не причиняя ʼʼвидимогоʼʼ вреда; их совокупность - нормальная мик­робная флора (естественная микрофлора). Типичные эктосимбиотические организмы-комменсалы - кишечная палочка, бифидобактерии, стафилококки, лактобациллы. Многие бактерии-комменсалы принадлежат к условно-патогенной микрофлоре и способны при опреде­лённых обстоятельствах вызывать заболевания макроорганизма (к примеру, при внесении их I кровоток во время медицинских манипуляций).

Рост и размножение бактерий. Механизм и скорость размножения. Фазы размножения микробов. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Рост и размножение бактерий. Механизм и скорость размножения. Фазы размножения микробов." 2017, 2018.

Рост бактерий – это увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции. Рост клетки не беспределен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. Репликация начинается в одной избранной области, называемой origin (начало), имеющей определенную последовательность нуклеотидов. Здесь может возникать одна или две репликативные вилки. В процессе репликации участвуют более 20 ферментов. Так как бактериальная ДНК двуспиральная, перед репликацией она должна быть разделена. В этом процессе участвуют ферменты хеликаза, которая расплетает двойную спираль и топоизомераза, которая предотвращает образование вторичных завитков. SSB-белок связывается с одноцепочечной ДНК, предотвращая повторное скручивание в двойную спираль. В результате образуется репликативная вилка. Синтез новых цепей ДНК осуществляется ферментом ДНК-полимиразой. Для осуществления реакции полимеризации нуклеотидов на матрице родительской цепи, полимеразе требуется затравка – праймер. Праймер представляет собой короткую нуклеотидную цепочку РНК, комплементарную матричной цепи, со свободным 3 / - концом. После того как цепь ДНК начала синтезироваться, РНК-затравка удаляется. Так как цепи ДНК в дуплексе антипарралельны, то направление расплетания двойной цепи совпадает лишь с направлением синтеза ДНК на одной матрице, которая называется ведущей. На комплементарной цепи ДНК синтезируется короткими фрагментами, которые впоследствии сшиваются в одну цепь ДНК-лигазами. Процесс репликации ДНК бактерии продолжается до тех пор, пока не удвоится вся ДНК.

При внесении бактерий в питательную 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 не прибавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получаем статистическую бактериальную культуру.

Фазы размножения бактерий:

1. Начальная (лаг-фаза) охватывает промежуток времени от момента посева бактерий до начала их роста. Ее продолжительность составляет в среднем 2-5 часов и зависит от состава питательной среды.

2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза. Характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость зависит от вида бактерий и питательной среды. Время удвоения клеток называется временем генерации. Это время варьирует от нескольких минут до нескольких часов.

3. Стационарная фаза наступает когда число клеток перестает увеличиваться. При уменьшении в питательной среде концентрации питательных веществ, снижении парциального давления кислорода, накоплении токсических продуктов обмена, уменьшается скорость роста бактерий. Продолжительность стационарной фазы составляет несколько часов и зависит от вида бактерий.

4. Фаза отмирания наступает вследствие накопления кислых продуктов обмена или в результате автолиза под влиянием собственных ферментов. Продолжительность этой фазы колеблется от десятка часов до нескольких недель.

3.2. Питательные среды, принципы их классификации, требования, предъявляемые к питательным средам, условия культивирования микроорганизмов.

Основой бактериологических работ являются питательные среды, нередко определяя своим качеством результаты исследования.

Основные требования, предъявляемые к питательным средам:

1. Питательные среды должны содержать все необходимые для питания микроба питательные вещества, т.е. обладать питательностью.

2. Иметь достаточную влажность

3. Иметь оптимальную рН (7,2-7,6) кислотность среды.

4. Обладать изотоничностью (концентрация NaCl 0,87%), для галофильных бактерий концентрация соли 1% и выше.

5. Иметь оптимальный электронный потенциал, свидетельствующий о содержании в среде растворенного кислорода. Он должен быть высоким для аэробов и низким для анаэробов.

6. Быть прозрачными, чтобы был виден рост бактерий, особенно в жидких средах.

7. Быть стерильными (чтобы не было других бактерий).

Для приготовления питательных сред используют продукты животного происхождения (мясо, рыба, кровь, яйца, молоко) и продукты растительного происхождения (картофель). Также используют синтетические питательные среды, составленные из химических соединений.

Источником азота для бактерий служат простые аммонийные соединения, аминокислоты или пептоны; источником углерода – сахар, многоатомные спирты, органические кислоты. Потребность бактерий в неорганических элементах удовлетворяется прибавляемыми к питательной среде солями: NaCl, КН 2 РО 4 , К 2 НРО 4 .

В зависимости от консистенции питательные среды могут быть: жидкими, полужидкими и плотными. Плотность среды достигается добавлением агара. Агар- полисахарид, получаемый из водорослей. Он плавится при температуре 100 оС, остывает при температуре 45-50 оС. Для полужидких сред агар добавляют в концентрации 0,5%, для плотных – 1,5-2%. Жидкие среды не содержат агар-агара.

По составу питательные среды могут быть простыми и сложными . К простым средам относятся пептонная вода, мясопептонный бульон, мясопептонный агар, агар Хоттингера. Сложные – это простые с добавлением дополнительного питательного компонента (сахарный, сывороточный, желчный бульоны, кровяной, сывороточный, желточно-солевой агары, среда Кита-Тароцци, Вильсона-Блера).

В зависимости от назначения среды подразделяются:

1. Общего назначения – для культивирования большинства бактерий (мясопептонный агар, кровяной агар).

2. Специального назначения:

а) элективные среды – это среды, на которых растет какой-то определенный микроорганизм. Например, щелочной агар, имеющий рН 9, служит для выделения холерного вибриона.

б) среды обогащения – это такие среды, которые стимулируют рост какого-то определенного микроорганизма, ингибируя рост других. Например, магниевая и селенитовая среды стимулируют рост бактерий рода сальмонелла, ингибируя рост кишечной палочки.

в) дифференциально-диагностические среды служат для изучения ферментативной активности бактерий (среды Гисса).

г) комбинированные питательные среды сочетают в себе элективную среду, подавляющую рост сопутствующей флоры и дифференциально-диагностическую (среда Плоскирева для выделения шигелл, висмут-сульфитный агар – для сальмонелл). Обе эти среды ингибируют рост кишечной палочки.

С целью дифференциации прототрофных и ауксотрофных бактерий используют селективные среды. Прототрофы растут на минимальной среде, содержащей только соли и углеводы, так как они сами способны синтезировать нужные им для развития метаболиты. Ауксотрофы нуждаются в средах, содержащих определенные аминокислоты, витамины, т.е. факторы роста.

Приготовление питательных сред – один из наиболее ответственных и трудных участков работы бактериологической работы.

В настоящее время медицинской промышленностью организовано производство консервированных сред. Сухие питательные среды находятся в пластмассовых банках с плотно завинчивающимися крышками, обеспечивающими герметичность.

Условия культивирования бактерий:

1. Наличие полноценной питательной среды.

2. Определенная температура культивирования (оптимальная температура 37 0 С).

3. Определенная атмосфера культивирования. Для строгих аэробов необходим кислород, поэтому они хорошо растут на поверхности агара чашках Петри или в тонком верхнем слое жидкой среды. Для роста аэробов в глубинном слое жидкой среды необходимо непрерывно перемешивать или встряхивать питательные среды, чтобы кислород распределялся по всему объему среды. Для факультативных анаэробов используют те же методы. Микроаэрофилы размножаются при пониженном парциальном давлении кислорода. Концентрация СО 2 должна быть 1-5%. Для этого используют специальные СО 2 –инкубаторы или посевы помещают в эксикаторы, в которых устанавливают горячую свечу. Для роста облигатных анаэробов необходимо исключить доступ кислорода. Для этого добавляют к питательным средам редуцирующих кислород веществ (тиогликолевая кислота), регенерация от кислорода воздуха жидких питательных сред путем их кипячения, использование поглотителей кислорода, помещая их в герметически закрываемые емкости «газпаки», использование анаэростатов.

4. Время культивирования (18-48 часов). Для культивирования микобактерий туберкулеза (3-4 недели).

5. Освещение. Для выращивания фототрофных бактерий необходим свет.

В промышленных условиях для получения биомассы бактерий или грибов с целью получения антибиотиков, вакцин, диагностических препаратов культивирование осуществляется в аппаратах (ферментерах) при строгом соблюдении оптимальных параметров роста и размножения культур.

Питание бактерий.

Под питанием понимают процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и метаболизм клетки.

Среди необходимых питательных веществ выделяют: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций. Кроме органогенов, необходимы микроэлементы. Они обеспечивают активность ферментов. Это цинк, марганец, молибден, кобальт, медь, никель, вольфрам, натрий, хлор.

Для бактерий характерно многообразие источников получения питательных веществ.

В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на: 1) аутотрофы (используют неорганические вещества – СО 2); 2) гетеротрофы (используют органический С-гексозы, многоатомные спирты, аминолкислоты);

Процессы питания должны обеспечивать энергетические потребности бактериальной клетки. По источникам энергии микроорганизмы делят на: 1) фототрофы – источник солнечная энергия; 2) хемотрофы – получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций; 3) хемолитотрофы – используют неорганические соединения; 4) хемоорганотрофы – используют органические вещества.

Медицинская микробиология изучает бактерии, которые являются гетерохемоорганотрофы.

Факторами роста бактерий являются витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, присутствие которых ускоряет рост. Среди бактерий выделяют: 1) прототрофы (способны сами синтезировать необходимые вещества); 2) ауксотрофы (нуждаются в факторах роста).

Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить источниками питания только после расщепления их экзоферментами до более простых соединений.

Пути поступления метаболитов и ионов в микробную клетку: I. Пассивный транспорт (без энергетических затрат): простая диффузия; 2) облегченная диффузия (по градиенту концентрации, с помощью белков-переносчиков). II. Активный транспорт (с затратой энергии, против градиента концентрации; при этом происходит взаимодействие субстрата с белком-переносчиком на поверхности цитоплазматической мембраны).

Встречаются модифицированные варианты активного транспорта – перенос химических групп. В роли белков-переносчиков выступают фосфорилированные ферменты, поэтому субстрат переносится в фосфорилированной форме. Такой перенос химической группы называется транслокацией.

Понятия роста и размножения бактерий

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).

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.

Бактериальная популяция

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. В этом процессе выделяют 4 фазы:

• 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.

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.

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.

Колонии

При культивировании на плотных питательных средах бакте­рии образуют колонии - видимое невооруженным глазом скопле­ние бактерий одного вида, являющееся чаще всего потомством одной клетки.

Колонии бактерий разных видов отличаются:

• формой;
• величиной;
• прозрачностью;
• цветом;
• высотой;
• характером поверхности и краев;
• консистенцией.

Характер колоний - один из таксономических признаков бактерий.

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. 11):

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.

2. Экспоненциальная (логарифмичес­кая) фаза. Характеризуется постоянной мак­симальной скоростью деления клеток, фаза геометрического роста с резким ростом численности популяции микроорганизмов (2 в степеии 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 18 - 24 ч. Величина клеток и содержание белка в них во время экспо­ненциальной фазы остаются постоянными. Бактериальная культура в этой фазе состоит из стандартных клеток.

Рис. 11. Фазы размножения бактерий

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.