Размножение микроорганизмов. Рост бактерий в бактериальной популяции

Вперед >>>

1. Рост и размножение бактерий

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

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.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы , и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия. Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам.

Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.

На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток – колонии, различные по размерам, форме, поверхности, окраске и т. д. На жидких средах рост бактерий характеризуется образованием пленки на поверхности питательной среды, равномерного помутнения или осадка.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки . Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Фазы размножение бактериальной клетки на жидкой питательной среде:

1) начальная стационарная фаза; то количество бактерий, которое попало в питательную среду и в ней находится;

2) лаг-фаза (фаза покоя); продолжительность – 3–4 ч, происходит адаптация бактерий к питательной среде, начинается активный рост клеток, но активного размножения еще нет; в это время увеличивается количество белка, РНК;

3) фаза логарифмического размножения; активно идут процессы размножения клеток в популяции, размножение преобладает над гибелью;

4) максимальная стационарная фаза; бактерии достигают максимальной концентрации, т. е. максимального количества жизнеспособных особей в популяции; количество погибших бактерий равно количеству образующихся; дальнейшего увеличения числа особей не происходит;

5) фаза ускоренной гибели; процессы гибели преобладают над процессом размножения, так как истощаются питательные субстраты в среде. Накапливаются токсические продукты, продукты метаболизма. Этой фазы можно избежать, если использовать метод проточного культивирования: из питательной среды постоянно удаляются продукты метаболизма и восполняются питательные вещества.

<<< Назад

Вперед >>>

Существует целый ряд факторов, которые оказывают существенное влияние на рост и развитие всех бактерий. Среди основных причин можно назвать:

температуру;
химический состав среды;
кислотность (уровень, pH);
влажность;
свет.

Изменение какого-либо одного или целого ряда условий может подавить или ускорить развитие бактерии, заставить ее подстроиться под новую среду обитания или привести к гибели.

Основные понятия

Для прокариотов понятия роста и развития почти тождественны. Под ними понимается то, что в процессе жизнедеятельности отдельный микроорганизм или группа бактерий синтезируют клеточный материал (белок, ДНК, РНК), за счет чего происходит увеличение цитоплазматической массы. Рост продолжается еще некоторое время, пока клетка не становится способной к размножению, и тогда развитие бактерий останавливается.

Размножение характеризуется способностью к самовоспроизведению. Результатом этого процесса является увеличение числа микроорганизмов на единицу объема, то есть происходит рост популяции.

Все вещества и структуры клетки могут расти и развиваться пропорционально. В этом случае микробиологи говорят о сбалансированном росте. Он таковым не является, если изменяются особенности среды. Тогда начинают преобладать определенные продукты метаболизма, а выработка других веществ прекращается. Зная о такой закономерности, ученые делают процесс роста намеренно несбалансированным, чтобы производить синтез полезных соединений.

Жизненный цикл бактериальной клетки

Деление клетки микроорганизма, за счет которого и осуществляется размножение, характеризуется достаточно коротким временным циклом. На скорость образования колонии микробов оказывают влияние все перечисленные выше факторы. В достаточно питательной среде с нужным уровнем pH и при оптимальной температуре время генерации может составлять от 20 минут до получаса. В проточной воде цикл развития может сокращаться до 15–18 минут.

Идеальные условия, гарантирующие такой быстрый рост, достаточно редко встречаются: питание в нужном объеме отсутствует, мешают накапливающиеся продукты распада. Если бы воплотился в жизнь сценарий с возникновением наилучших условий для цикла размножения бактерий, то за сутки только одна клетка кишечной палочки образовала бы обширную колонию весом в несколько десятков тысяч тонн!

Рост микроорганизмов исследовался в условиях замкнутых резервуаров, где, находясь в воде, бактерии не сразу начинали развиваться и размножаться. Только попав в питательную среду, они некоторое время приспосабливались к новым условиям. Размножение проходило постепенно, пока не стало спадать и не прекратилось вовсе. Эти наблюдения позволили выделить некоторые фазы развития, складывающиеся в общий жизненный цикл существования бактерий.

Исходная фаза характеризуется отсутствием роста и деления клеток. Идет процесс адаптации (от 1 до 2 часов).
Период интенсивного роста получил название лаг-фаза. Начинается деление клеток, но пока очень медленно. Продолжительность этого этапа развития индивидуальна у различных видов бактерий. К тому же на время ее протекания оказывают влияние условия среды.
Для третьей фазы характерно начало интенсивного размножения, скорость которого возрастает по экспоненте.
Период генерации начинает увеличиваться к началу четвертой фазы. Но питательная среда истощается, в ней растет концентрация продуктов обмена. Скорость размножения снижается, а некоторые клетки погибают.
Этой фазе цикла свойственно сохранение знака равенства между вновь появляющимися клетками и количеством погибших микроорганизмов. Популяция продолжает ненамного увеличиваться.
Шестая и седьмая фазы завершают цикл развития. Это время отмирания клеток, число погибающих начинает доминировать.
На финальной восьмой стадии цикл жизни бактерий завершается. Скорость отмирания уменьшается, но под воздействием неблагоприятных факторов среды гибель продолжается.

Описанные стадии соответствуют непроточной культуре бактерий. Чтобы рост не замедлялся, в среду постоянно можно вводить новые порции питательных веществ, выводя из нее продукты обмена. Это позволяет добиться того, чтобы нужные микроорганизмы постоянно находились в периоде развития. Такой принцип проточного культивирования микроорганизмов используется, например, в аквариуме.

Влажность как необходимое условие жизнедеятельности микроорганизмов

Для роста и развития бактериям нужно, чтобы уровень влажности в среде их обитания поддерживался на определенном уровне. Воде отводится важная роль при осуществлении обмена веществ, она помогает поддерживать нормальное осмотическое давление в клетке бактерии, делает ее жизнеспособной. Поэтому почти все прокариоты влаголюбивы, а падение этого показателя до значения ниже 20% относят к деструктивным для роста факторам.

Чем меньше воды содержится в среде, тем пассивнее идет процесс размножения. На продуктах питания это утверждение проверяется легче всего: сухими они хранятся гораздо дольше. Но такой способ обработки и хранения не является универсальным. Сушка задерживает рост некоторых бактерий и микробов, но есть и те, кто сохранит свою дееспособность.

Влияние кислотности среды на жизнеспособность бактерий

Кислотность среды относят к одному из важнейших показателей для роста и развития микроорганизмов. Ее обозначают символом pH и рассматривают в интервале от 0 до 14. Кислым средам соответствуют значения от 0 до 6, для щелочных показатель колеблется от 8 до 14, а нейтральной точкой считается уровень pH 7,07. Оптимумом для развития микроорганизмов являются цифры, характеризующие нейтральную среду.

Интервал pH от 1 до 11 – это предельные показатели, при которых удалось выжить некоторым бактериям. Но в основной массе их рост прекращается при уровне кислотности, равном 4. Если значение pH определяется как 9, то практически все известные микроорганизмы перестают размножаться. То есть для развития и роста бактерий важно, чтобы кислотность находилась в рамках от 4 до 9.

Существует вид прокариотов, для которых жизненно важно, чтобы pH как можно больше соответствовал кислым средам. Их называют ацидофильными и относят к виду молочнокислых бактерий. Когда они оказываются в молоке, то начинают перерабатывать содержащиеся в нем углеводы в молочную кислоту. Они являются важными участниками процесса получения пробиотических продуктов.

Полезные свойства молочнокислых ацидофильных микроорганизмов используются и для того, чтобы создать лекарственные препараты. Они оказывают благотворное влияние не только на функцию кишечника, но и помогают справиться с рядом других заболеваний. Понижение уровня pH с целью сохранения заготовок на зиму использует каждая хозяйка. Добавление уксуса создает кислую среду, в которой патогенные микроорганизмы не выживают.

Для некоторых молочнокислых бактерий в процессе роста и развития характерен синтез кислоты в таком большом количестве, что pH падает до критического уровня, и они прекращают развиваться или погибают. Встречаются и настоящие рекордсмены по выживанию и успешному функционированию в кислых средах. Так, при оптимальном значении pH, равном 2,5, молочнокислая ацидофильная бактерия Thiobacillus thooxidans может развиваться при показателе кислотности 0,9.

Что происходит с микроорганизмами во время бактерицидной фазы?

Если бактерии при идеальных условиях способны очень быстро развиваться, то почему, например, в только что полученном молоке их рост некоторое время не происходит? Среда достаточно благоприятная, и даже асептические условия доения не исключают наличие большого числа микроорганизмов. Но в свежем молоке имеются лактенины – бактерицидные вещества, способные определенный период времени сдерживать развитие бактерий.

Действие лактенинов настолько сильно, что многие микроорганизмы не просто замедляют рост, но и погибают. Период их действия, названный бактерицидной фазой, постепенно заканчивается. Это зависит от начального количества бактерий в молоке и повышения температуры продукта. Влияние лактенинов может продолжаться от 2 до 40 часов. Бактерицидную фазу стараются продлить и молоко охлаждают. По ее истечении рост микробов и бактерий возобновляется.

Даже если изначально в молоке было небольшое количество молочнокислых микроорганизмов, то они постепенно начинают преобладать. И для того чтобы предотвратить скисание и избавиться от вредных бактерий, применяют тепловые способы обработки. Нагрев, кипячение и другие виды тепловой обработки относят к еще одному способу устранения нежелательной микрофлоры в продуктах. И можно назвать еще одну важную составляющую среды, оказывающую влияние на рост и развитие бактерий, – температуру.

Чего боятся мезофилы?

Особенности строения бактерий исключают у них наличие механизмов, которые могли бы регулировать температуру. Поэтому они очень зависят от того, насколько охлаждается или нагревается среда их обитания. По температурным предпочтениям прокариотов принято делить на:

Психрофилов – любителей низких показателей (диапазон от 0 до 35°C, оптимум 5–15°C).
Термофилов – они предпочитают высокие температуры (40–80°C допустимые условия для существования, но оптимальный показатель от 55 до 75°C).
Мезофилов. К ним относят большинство бактерий, в том числе и болезнетворных. Их рост и развитие требуют температуры в 30–45°C. Диапазон для их выживания гораздо шире (от 40 до 80°C), но только при оптимуме жизнедеятельность протекает наиболее активно.

Прямое влияние повышения или понижения температуры на развитие микрофлоры помогает бороться с ее присутствием на продуктах. Особое значение эта мера обработки приобретает в рамках предотвращения ботулизма.

Clostridium botulinum, или Еще один повод для тщательной тепловой обработки продуктов

В процессе роста и развития некоторые микроорганизмы способны производить особо опасные для здоровья человека вещества – токсины. Бактерия Clostridium botulinum является причиной возникновения ботулизма, при котором наиболее вероятен летальный исход. Выделяют две разновидности существования бактерии:

вегетативную;
споровую.

Вегетативный вариант ботулизма не так опасен. Микроорганизм с такой формой существования погибает уже после того, как продукт подвергся кипячению в течение 5 минут. А вот споры ботулизма погибнут только после пятичасовой обработки, при этом температура должна достигать определенной отметки. Споры – это своеобразные защитные оболочки, которые сохраняют дремлющую бактерию длительное время. Спустя несколько месяцев происходит их прорастание, и ботулизм «просыпается».

Споры надежно хранят свой ценный груз и в условиях холода, и под действием ультрафиолета. Критической окажется температура в 80°C для вегетативной разновидности ботулизма и более длительная обработка при 120°C для споровой формы. Эти условия не всегда соблюдаются хозяйками при консервировании заготовок, поэтому заразиться можно и от неправильно приготовленных домашних консервов.

Для ботулизма свойственны следующие первые признаки:

боли в центральной части живота;
приступы диареи (от 3 до 10 раз в сутки);
головная боль;
чувство слабости, недомогание и быстрая утомляемость;
периодическая рвота;
высокая температура тела (до 40°С).

Начало ботулизма несколько реже, но все-таки может сопровождаться расстройством зрения, расплывчатым видением предметов, наличием тумана или мушек перед глазами и не проявлявшейся ранее дальнозоркостью. Дыхательные сбои и затрудненное глотание – еще один возможный симптом.

Осложнения ботулизма проявляются в виде вторичных бактериальных инфекций, например, пневмонии, пиелонефрита, сепсиса, гнойного трахеобронхита. Может развиваться аритмия, происходит поражение миозитом икроножных и бедренных мышц. Болезнь протекает около трех недель, а в результате грамотного и своевременного лечения ботулизма восстанавливаются утраченные функции зрения, дыхания и возвращается способность глотать.

Как бактерии размножаются в еде?

Любые продукты, употребляемые человеком в пищу, имеют собственную микрофлору. Ее можно разделить на два вида:

специфическую – это микроорганизмы, которые были добавлены намеренно для того, чтобы придать определенные вкусовые или ароматические качества;
неспецифическую – ее составляют бактерии, попавшие на продукт случайно (не был соблюден санитарный режим на производстве или в магазине, нарушались сроки хранения, правила обработки).

При этом разные представители болезнетворных прокариотов предпочитают свой определенный тип продуктов. Сальмонеллы, например, заядлые любители яиц, мяса и молока. Опасность заражения заключается в том, что в чистоте продукта нельзя убедиться по его внешнему виду. Сальмонеллы в зараженном мясе, субпродуктах или фарше никак не меняют их цвет, вкус или запах. Если приготовленные из такого сырья блюда не пройдут правильную тепловую обработку, то заболевание неизбежно.

Палочкам сальмонеллы для развития нужна температура в 37°C, спор и капсул они не образуют, но к условиям внешней среды весьма устойчивы. Даже в охлажденном до 0°C мясе они способны выживать до 140 суток. При этом способность к делению не утрачивается. В открытых водоемах сальмонеллы останутся жизнеспособными около 4 месяцев, а в яйцах птиц примерно год. Большая часть штаммов способна выживать после воздействия антибиотиков и дезрастворов.

Сальмонеллы, служащие возбудителями инфекции, чаще всего живут в организме сельскохозяйственных животных. Болезнь у коров, лошадей, овец, свиней или птиц протекает без симптомов. Возбудители выделяются вместе с мочой, слюной, испражнениями и слизью из носа, но люди заражаются чаще всего через молоко, мясо или яйца (пищевой способ). Сальмонеллы могут передаваться и от уже заболевшего человека (контактно-бытовой путь передачи).

Мясо птиц или животных может быть заражено во время транспортировки или обработки. Чтобы сальмонеллы не стали причиной заболевания, в домашних условиях можно только соблюдать простые правила профилактики любых кишечных инфекций.

качественная обработка мяса, рыбы, яиц и молока;
покупка мясных полуфабрикатов, необработанной продукции с частных фермерских хозяйств только при наличии заключения СЭС о безопасности;
выполнение правил личной гигиены;
отдельный инвентарь для разделки сырых и вареных продуктов поможет не стать носителями сальмонеллы.

Со стороны фермерских хозяйств и соответствующих надзорных органов должен вестись постоянный мониторинг условий содержания животных, их здоровья и качества продукции (особенно мяса) на выходе.

Болезнь протекает следующим образом. Палочки сальмонеллы попадают в пищеварительный тракт. В верхних отделах кишечника они уничтожают часть полезной микрофлоры, затем начинают размножаться в тонкой кишке. При этом нарушается работа этого отдела ЖКТ, страдает перистальтика. Затем болезнь переходит в острую форму, начинается интоксикация организма, обезвоживание, судороги и острая почечная недостаточность. Так что недооценивать сальмонеллез весьма опрометчиво.

Как добиться сохранения численности популяции микроорганизмов в аквариуме

Как уже упоминалось, в воде численность бактерий может резко увеличиваться. И не всегда это полезная микрофлора. Чтобы рыбы и растения в аквариуме не болели, а вода оставалась чистой и незамутненной, существуют специальные препараты, помогающие функционировать полезным микроорганизмам или содержащие нужные бактерии.

Аквариумисты стремятся к тому, чтобы в водной среде всегда присутствовали простейшие, отвечающие за азотный цикл. Препараты, направленные на поддержание такой микрофлоры, отвечают за то, чтобы в воде аквариума восполнялись природные ферменты и коллоиды. Поврежденные или больные микроорганизмы при наличии такой поддержки приходят в норму и возвращают свои утраченные способности.

Препараты, улучшающие состояние воды в аквариуме, расщепляют органические вещества, останавливают размножение и рост водорослей. Есть и такие растворы, которым под силу восстановить кислотность и поддерживать ее на нужном уровне. Но они будут эффективны только в том случае, если аквариум не находится в запущенном состоянии, а фильтрующие материалы заменены новыми.

Ускорить переход азота в простую форму, снизить жесткость воды также под силу специальным препаратам. Создаваемое ими в аквариуме биологическое равновесие гарантирует, что скорость образования продуктов жизнедеятельности будет равна скорости их выведения. А в незагрязненной отходами воде охотно развиваются и функционируют полезные бактерии.

Так называемые стартовые микроорганизмы содержатся в препаратах в состоянии покоя. Как только они оказываются в аквариуме, то происходит их активизация. В воде они распространяются и преобразуют грунт в биофильтр высокой производительности. Другие виды бактерий для аквариума начинают перерабатывать нитриты и аммиак в нитраты. Так достигается высокое качество водной среды.

Концентрированные суспензии весьма эффективно работают в аквариуме, популярными являются препараты брендов:

Tetra.
Dennerle.
Sera.
Aqua Medic.

Развитие и рост бактерий можно сделать контролируемым процессом, поэтому знания о факторах, влияющих на эти процессы, так важны. И вовсе не нужно быть узконаправленным специалистом, чтобы интересоваться жизнедеятельностью микроорганизмов – их гарантированное присутствие повсюду позволяет грамотно применять имеющуюся информацию в быту.

Для того чтобы изучать микроорганизмы, определять этиологические факторы инфекционных заболеваний, заниматься вопросами профилактики и лечения инфекционных заболеваний и решать многие другие вопросы, связанные с микроорганизмами, необходимо иметь их в достаточном количестве, а это значит - создавать все условия для нормального роста и размножения микроорганизмов.

Под термином «размножение» микробов подразумевается способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей.

Размножение микроорганизмов происходит путем поперечного деления, почкованием, образования спор, репродукции.

Рост микроорганизмов означает увеличение массы микробов в результате синтеза клеточного материала и воспроизведения всех клеточных компонентов и структур.

О бактериях, спирохетах, актиномицетах, грибах, риккетсиях, микоплазмах, простейших, хламидиях говорят, что они размножаются, а вирусы и фаги (вирусы микробов) – репродуцируются.

Размножение микроорганизмов соответствует определенным закономерностям. Скорость деления микроорганизмов различна, она зависит от вида микроба, возраста культуры, особенностей естественной и искусственной питательной среды, температуры, концентрации углекислого газа и многих других факторов.

В процессе размножения микроорганизмы на различных этапах претерпевают морфологические и физиологические изменения (по форме, размерам, окрашиваемости, биохимической активности, чувствительности к физическим и химическим факторам и пр.).

Микроорганизмы обладают возрастной изменчивостью, т.е. особи изменяются на разных стадиях роста, созревания и старения. Эти изменения наблюдаются в нормальном цикле индивидуального развития микроорганизма, который зависит от природы организма, от сложности его строения и последовательности в развитии.

Наиболее простым циклом развития среди микроорганизмов обладают бактерии. Размножаются они простым поперечным делением в различных плоскостях. В зависимости от этого клетки могут располагаться беспорядочно, гроздями, цепочками, пакетами, попарно, по четыре и т.д.

Характерной чертой бактерий, отличающей их от многочисленных животных и растений, является их необыкновенная скорость размножения.

Каждая бактериальная клетка в среднем в течение получаса претерпевает деление, что обусловлено усиленным обменом веществ, скоростью, с которой питательный материал поступает внутрь клетки.

Фактором, тормозящим размножение бактерий, является истощение питательного субстрата и отравление окружающей среды продуктами распада.

У бактерий различают восемь основных фаз размножения.

1. Исходная стационарная фаза, которая представляет собой период времени один – два часа от момента посева бактерий на питательную среду. В этой фазе размножение не происходит

2. Фаза задержки размножения (лаг – фаза), в течение которой размножение бактерий происходит очень медленно, а скорость их роста увеличивается. Продолжительность второй фазы около двух часов.

3. Фаза длится пять – шесть часов. Третья фаза характеризуется максимальной скоростью деления, уменьшением размеров клеток.

4. Фаза отрицательного ускорения (продолжается около двух часов). Скорость размножения бактерий снижается, число делящихся клеток уменьшается.

5. Стационарная фаза, длящаяся около двух часов. Число новых бактерий почти равно числу отмерших особей.

6. Фаза ускорения гибели клеток (длится около трех часов).

7. Фаза логарифмической гибели клеток (длится около пяти часов), при которой гибель клеток происходит с постоянной скоростью

8. Фаза уменьшения скорости отмирания. Оставшиеся в живых особи, переходят в состояние покоя.

Продолжительность фаз размножения не является постоянной величиной. Она может быть различной в зависимости от вида микроорганизмов и условий культивирования.

Цикл развития кокковидных бактерий сводится к росту клетки и последующему ее делению. Палочковидные аспорогенные бактерии в молодом возрасте растут, достигают максимума величины, затем делятся на две дочерние клетки, которые повторяют тот же цикл. У бацилл и клостридий в цикл развития включается при определенных условиях процесс спорообразования.

Спирохеты и риккетсии, как и бактерии, размножаются путем бинарного деления.

Среди микоплазм способностью размножаться обладают все элементарные тела сферической или овоидной формы. В процессе развития на элементарном теле появляется несколько нитевидных выростов, в которых формируются сферические тела. Постепенно нити становятся тоньше и образуются цепочки с четко выраженными сферическими тельцами. Затем происходит деление нитей на фрагменты и освобождение сферических телец.

Размножение некоторых микоплазм происходит путем отпочкования дочерних клеток от более крупных шаровидных тел. Поперечным делением микоплазмы размножаются, если процессы деления микоплазм идут синхронно с репликацией ДНК нуклеоида. При нарушении синхронности образуются нитевидные многонуклеоидные формы, в последующем делящиеся на кокковидные клетки.

Актиномицеты и грибы имеют две различные стадии развития: стадию вегетативного роста, при которой характерным является образования мицелия и стадию образования спор, формирующихся на спороносцах.

Важной особенностью актиномицетов и грибов является значительное разнообразие способов их размножения. Для них характерны вегетативное, бесполое и половое размножение.

Вегетативное размножение осуществляется путем деления на фрагменты гиф с последующим образованием отдельных палочковидныхи кокковидных клеток.

Бесполое размножение происходит вегетативным путем (рост фрагментов гиф или их отдельных клеток) и при помощи более или менее специализированных органов размножения (спор и конидий). Наиболее частый, бесполый, путь размножения проявляется в образовании экзогенных и эндогенных спор. Экзоспоры или конидии образуются на концах плодоносящих гиф, но заключены внутри общего мешочка – спорангия. Гифы, несущие спорангии, называются спорангионосцами. Спорангионосцы могут быть прямыми, волнистыми, спиральными.

Половое размножение происходит при помощи специальных органов – аскоспор, базидиоспор, образованию которых предшествует половой процесс. По биологическому назначению споры актиномицетов и грибов бывают покоящиеся, служащие для сохранения вида в течение определенного периода и служащие для быстрого размножения.

Споры актиномицетов и грибов образуются каждой особью в большом количестве, так как в отличие от спор бактерий служат, в основном, целям размножения. Они менее устойчивы к факторам окружающей среды, чем споры бактерий.

У простейших, так же как у актиномицетов и грибов, наряду с размножением путем деления существует и половой процесс.

Хламидии, вирусы и фаги имеют своеобразные циклы развития.

Размножение хламидий начинается с проникновения элементарных телец в чувствительную тканевую клетку путем эндоцитоза. Эти тельца в вакуоле клетки превращаются в вегетативные формы, называемые инициальными или ретикулярными тельцами, которые обладают способностью делиться. Ретикулярные тельца имеют пластинную клеточную стенку, а в цитоплазме – рыхло расположенные ядерные фибриллы и многочисленные рибосомы. После многократного деления ретикулярные тельца превращаются в промежуточные формы, из которых развивается новое поколение элементарных телец. Весь цикл развития хламидий длится 40 – 48 часов и заканчивается формированием микроколонии хламидий в цитоплазме клетки – хозяина.

После разрыва стенки вакуоли и полного разрушения клетки – хозяина, микроколонии хламидий, оказавшись за пределами целой клетки, распадается на самостоятельные элементарные тельца, и цикл проникновения хламидий в клетку с последующим их размножением повторяется.

Репродукция вирусов характеризуется последовательностью отдельных стадий.

1. Стадия адсорбции. Вирионы адсорбируются на поверхностных структурах клетки. При этом происходит взаимодействие комплементарных структур вириона и клетки, которые называются рецепторами.

2. Стадия проникновения вириона в клетку хозяина. Пути внедрения вирусов в чувствительные к ним клетки неодинаковы. Многие вирионы проникают в клетку путем пиноцитоза, когда образующаяся пиноцитарная вакуоль «втягивает» вирион внутрь клетки. Некоторые вирусы проникают в клетку прямым путем через ее оболочку.

3. Стадия разрушения внешней оболочки и капсида вириона при помощи протеолитических ферментов клетки – хозяина. У одних вирионов процесс разрушения их оболочки начинается еще на стадии адсорбции, у других – в пиноцитарной вакуоле, у третьих – непосредственно в цитоплазме клетки при участии тех же протеолитических ферментов.

4. Стадия синтеза вирусных белков и репликации нуклеиновых кислот. После полного или частичного освобождения вирусной нуклеиновой кислоты начинается процесс синтеза вирусных белков и репликация нуклеиновых кислот.

5. Стадия сборки или морфогенез вириона. Формирование вирионов возможно только при условии строго упорядоченного соединения вирусных структурных полипептидов и их нуклеиновой кислоты, что обеспечивается самосборкой белковых молекул вокруг нуклеиновой кислоты. У одних вирусов этот процесс происходит в цитоплазме, у других – в ядре клетки хозяина. У сложноорганизованных вирусов, имеющих внешнюю оболочку, дальнейшая сборка происходит в цитоплазме во время выхода их из клетки.

6. Стадия выхода вирионов из клетки – хозяина. Ряд сложных вирусов выходят из клетки – хозяина, при этом клетки в течение некоторого времени сохраняют жизнеспособность, а потом погибают. Простые вирионы выходят из клетки через образовавшиеся в ее оболочке отверстия, клетка – хозяин погибает, не сохраняя в течение какого – то времени жизнеспособность.

В некоторых случаях репродукция вирионов в клетках может происходить в течение многих месяцев и даже лет. Вирусы выделяются через клеточную оболочку. При делении таких клеток вирионы передаются дочерним клеткам, в свою очередь начинающим продуцировать вирусные частицы.

Существует три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и вирогенный.

Продуктивный тип взаимодействия заключается в образовании новых вирионов.

Абортивный тип взаимодействия может внезапно прерваться в стадии репликации вирусной нуклеиновой кислоты или синтеза вирусных белков, или морфогенеза вирионов.

Вирогенный тип характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной нуклеиновой кислоты в ДНК клетки, которая обеспечивает синхронность репликации вирусной и клеточной ДНК.

При репродукции фага также происходит адсорбция его на поверхности клетки (1 стадия) в результате взаимодействия аминогрупп белков, локализованных в периферической части хвостового отростка фага, и отрицательно заряженных карбоксильных групп на поверхности бактериальной клетки.

Различают обратимые и необратимые фазы адсорбции. Обратимая фаза характеризуется тем, что фиксированные фаги можно отделить от клетки путем энергичного помешивания или резко уменьшить концентрацию ионов. Освободившиеся фаги при сохраняют свою жизнеспособность.

В период второй необратимой фазы адсорбции фаг не отделяется от тела микробной клетки. Процесс адсорбции длится несколько минут. Под влиянием фермента, находящегося в хвостовом отростке фага, в теле микробной клетки на месте прикрепления фага образуется отверстие, через которое внутрь клетки проникает ДНК фага. Оболочка фага остается снаружи (2 стадия).

Некоторые фаги вводят свою нуклеиновую кислоту в клетку без предварительного механического повреждения клеточной стенки. В наступивший после проникновения в клетку нуклеиновой кислоты фага латентный период, осуществляется биосинтез фаговой нуклеиновой кислоты и белков капсида фага.

Происходит синтез ферментов, необходимых для репликации фаговой нуклеиновой кислоты и структурных белков фага (3 стадия).

В четвертой стадии происходит заполнение фаговой нуклеокислотой пустотелых фаговых частиц и формирование зрелых фагов. Осуществляется морфогенез фага.

В конце латентного периода происходит лизис зараженных микробных клеток и выход зрелых фаговых частиц (5 стадия).

Считают, что адсорбция фага длится 40 минут, латентный период – 75 минут. Весь цикл взаимодействия фага с микробной клеткой продолжается немногим больше трех часов.

Внедрение фага в микробную клетку не всегда сопровождается ее лизисом. Нередко взаимодействие фага с микробной клеткой ведет к образованию лизогенных культур.

По характеру взаимодействия с микробной клеткой различают умеренные и вирулентные фаги. Состояние лизогении вызывается умеренными фагами. Лизогенные микробные клетки являются устойчивыми к вирулентным фагам. Вирулентные фаги обуславливают формирование новых фагов и лизис микробной клетки.

Рост – это согласованное увеличение всех компонентов клетки, результат роста – размножение.

Размножение бактерий – увеличение числа клеток в популяции.

В процессе роста бактериальная клетка увеличивается в 2-3 раза, она интенсивно окрашивается и накапливается РНК. В благоприятных условиях рост заканчивается размножением. У бактерий размножение происходит делением пополам – бинарное деление – основной способ размножения.

Кривая роста характеризует рост и размножение бактерий в определенных условиях среды. Кривую роста получают при изучении периодической культуры.

Периодическая культура – это популяция м/о которая развивается в ограниченном объеме среды без поступления питательны веществ.

1фаза – начальная – бактерии растут, но не размножаются

2 фаза – фаза логарифмического роста – бактерии интенсивно размножаются, их число увеличиваемся в логарифмической прогрессии.

3 фаза – стационарная – размножение – равно смертности

4 фаза – отмирания – накапливаются продукты метаболизма, истощается питательные вещества и бактерии погибают.

Внешние факторы могут оказывать:

бактериостатическое действие – подавлять размножение и рост бактерий

бактерицидное действие – вызывать гибель бактерий

Размножение бактерий.

Начинается с репликации (удвоения) генома, а затем происходит деление.

У бактерий вегетативная репликация – информация передается от родительской клетки к дочерней.

У бактерий репликация саморегулируемая – геноме есть гены, ответственные за репликацию.

Репликация носит полуконсервативный характер – дочерние клетки получают равномерно распределяющийся генетический материал (одна нитка ДНК материнская, вторая – новосинтезированная).

Репликация начинается с определенной точки, от которой происходит раскручивание ДНК, образуется репликационная вилка, синтезируется SSBбелок, который препятствует повторному скручиванию нитей. Процесс осуществляется ДНК полимеразой, которая способна присоединять комплиментарные нуклеотиды к свободному 3" концу.

Синтез комплиментарных участков запускается заправкой праймером. Это участок РНК, комплиментарен матричной ДНК и у праймера имеется свободный 3" конец. Заправка праймером запускает синтез ДНК, на матрице строятся фрагменты Оказаки, которые сшиваются в единую нить ДНК-лигазами. В бактериальной клетке образуются 2 идентичные нити ДНК, которые растаскиваются по полюсам клетки и после репликации запускается деление бактерий.

Деление начинается с удлинения цитоплазматической мембраны, формируется межклеточная перегородка по экватору, по которому бактерия бинарно делится и образуются 2 идентичные дочерние клетки.

Показатели роста и размножения бактерий:

Увеличение размеров клетки

Концентрация бактерий – число клеток в 1 мл

Плотность бактерий – масса бактерий в мг на мл

Время генерации – время, за которое число клеток удваивается.

22. Культивирование и методы выделения чистой культуры аэробов и анаэробов.

Культивирование м/о – это получение большого числа бактерий на питательной среде.

Цель культивирования: Изучение микробиологических свойств, Для диагностики инфекций и Для получения биопрепарата из бактерий или полученные с помощью бактерий.

Условия культивирования бактерии:

Наличие полноценной питательной среды.

Оптимальная t (≈37 0 C)

Атмосфера культивирования (есть O 2 или без него).

Время культивирования – видимый рост через 18-48 часов, или для некоторых 3-4 недели (tbc)

Освещенность питательной среды для фотосинтезирующих (растут только в присутствии света).

Рост бактерий происходит в результате множества взаимосвязанных биохимических реакций , осуществляющих синтез клеточного материала. У бактерий различают индивидуальный рост бактериальной клетки и рост бактерий в популяции.

Об индивидуальном росте судят по увеличению размеров отдельных особей. Скорость роста зависит от внешних условий и физиологического состояния самой клетки. При постоянных условиях рост осуществляется с постоянной скоростью. Палочковидные бактерии растут преимущественно в направлении длинной оси, кокки растут равномерно во всех направлениях. В промежутке между клеточными делениями бактерии имеют большие размеры, чем сразу после деления.

Размножение бактерий

Наиболее часто бактерии размножаются путем бинарного деления, когда из одной клетки образуется две, каждая из которых вновь делится. Процессу деления всегда предшествует репликация (удвоение) ДНК . Существует два типа деления - деление перетяжкой (перешнуровывание) и с помощью поперечной перегородки (рисунок А.7) .

Деление перетяжкой (констрикция) сопровождается сужением клетки в месте ее деления, и в этом процессе принимают участие все слои клеточных оболочек. Выпячивание оболочек внутрь клетки все более ее сужает и, наконец, делит на две. Это деление присуще грамотрицательным бактериям . Деление с образованием поперечной перегородки присуще грамположительным бактериям. Однако у некоторых групп бактерий отмечена смена способов деления (тионовые бактерии, микобактерии). У шаровидных бактерий может образовываться несколько поперечных перегородок (тетракокки, сарцины). Почкование убактерий является разновидностью бинарного деления. Этот способ размножения присущ бактериям, имеющим диморфные или полиморфные клеточные циклы. Почкующимся бактериям присуща полярность клеток. Некоторые бактерии размножаются с помощью экзоспор (но не эндоспор!), некоторые - фрагментами гиф (актиномицеты). У некоторых бактерий имеются половые ворсинки, или F-пили.

Период от деления до деления называется клеточным циклом . Различают несколько типов вегетативного клеточного цикла: мономорфный - образуется только один морфологический тип клеток (например, бациллы), диморфный - два морфологических типа клеток, полиморфный - несколько (актиномицеты). При диморфном и полиморфном циклах различают дочерние и материнские клетки.

Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения. Например, в благоприятных условиях кишечная палочка делится каждые 20-30 мин, за сутки это дает 2 72 , т.е. 72 поколения. В условиях, исключающих гибель, эта биомасса составит 4720 т. Скорость размножения зависит от факторов внешней среды (температуры, условия питания, влажность, реакция среды и др.) и от видовых особенностей бактерий. Высокая скорость размножения бактерий обеспечивает их сохранение на земле даже в условиях массовой гибели. Сохранившиеся отдельные клетки размножаются и вновь дают поколение.

Рост бактерий в популяции. Популяция (фр. population - население) - это совокупность бактерий одного вида (чистая культура) или разных видов (смешанная ассоциация), развивающихся в ограниченном пространстве (например, в питательной среде). В бактериальной популяции постоянно происходит рост, размножение и отмирание клеток. Культивирование микроорганизмов в искусственных условиях бывает периодическим, непрерывным и синхронным.

Периодическое (стационарное) культивирование происходит без притока и оттока питательной среды. Оно характеризуется классической кривой роста микроорганизмов, в которой выделяют отдельные фазы роста бактериальной популяции, отражающие общую закономерность роста и размножения клеток.

Лаг-фаза (англ. lag - отставание) начинается с момента посева бактерий в свежую питательную среду. Клетки адаптируются к данным условиям культивирования, растут, но не размножаются, они достигают максимальной скорости роста. Абсолютная и удельная скорость роста увеличиваются от нуля до максимально возможных значений.

Абсолютная скорость роста определяется отношением:

V = dx/dt , (1.1)

где V - прирост биомассы или числа клеток, выражается в массовых единицах, числе клеток или в условных единицах в единицу времени.

х - биомасса или число клеток;

t - время.

Удельная скорость роста определяется по формуле:

µ = (dx/dt) ? 1/х , (1.2)

где µ - прирост биомассы е единицу времени на единицу биомассы,

х - начальная биомасса.

Продолжительность лаг-фазы зависит от биологических особенностей бактерий, возраста культуры, количества посевного материала, состава питательной среды, температуры, аэрации, рН и др. Одни бактерии обладают коротким периодом задержки роста, другие длинным. Чем моложе культура, тем период короче. Чем состав питательной среды ближе к тому, в котором выращивали микроорганизмы, тем короче лаг-фаза. Изменения в питательной среде приводят к изменению лаг-фазы, так как необходимо время для синтеза ферментов, либо повышения их активности. Таким образом, факторы задержки роста можно разделить на внешние (состав среды, рН, температура и др.) и внутренние (возраст культуры). Длительность фазы моет быть от нескольких минут до нескольких часов и даже дней. В этой фазе μ = 0.

Лог-фаза (логарифмическая , или экспоненциальная ) характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Общее количество бактерий определяется по формуле:

N = N 0 ?2 n , (1.3)

где N и N 0 - общее количество клеток в конце фазы и в начале фазы соответственно;

n - число поколений, или генераций.

В микробиологической практике для выражения общего числа микробных клеток чаще всего пользуются не абсолютными числами (так как они достигают огромных величин), а их логарифмами. Прсле логарифмирования уравнения (1.3): lg N = lg N 0 + n?lg2, n?lg2 = lg N - lg N 0 , отсюда число поколений равно: n = (lg N - lg N 0)/ lg2

Скорость размножения одной клетки, или период генерации:

g = t/n , (1.4)

где t - время;

n - число поколений;

g - период генерации.

Значит: g = t ?lg 2 / (lg N - lg N 0) (1.5)

Приведенные уравнения основаны на предположении, что в лог-фазе все 100% клеток жизнеспособны. Однако экспериментально установлено, что около 20% клеток даже в эту фазу отмирает, поэтому в приведенные формулы вносится поправка - вместо 2 берется 1,6.

Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:

Х = Х 0 ? е μ max ? t , (1.6)

где Х и Х 0 - количество клеток (или биомасса) в конце и в начале опыта соответственно;

t - время опыта;

е - основание натурального логарифма;

μ max - максимальная удельная скорость роста.

В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды. В этой фазе μ = max.

Фаза замедленного роста . Она объединяет две фазы - фазу линейного роста (μ = const) и фазу отрицательного ускорения . Фаза характеризуется в период линейного роста постоянной скоростью прироста биомассы (числа клеток). Затем при переходе в фазу отрицательного ускорения численность делящихся клеток уменьшается. Наступление фазы объясняется количественными изменениями состава питательной среды (потребление питательных веществ, накопление продуктов метаболизма).

Стационарная фаза характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Факторы, лимитирующие рост бактерий в предыдущей фазе, являются причиной возникновения стационарной фазы. Прироста биомассы нет (μ = 0) . В этой фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток. Эти максимальные величины называются урожаем , или выходом .

Фаза отмирания (экспоненциальной гибели клеток ) характеризуется уменьшением числа живых клеток, возрастанием гетерогенности популяции (появляются клетки, не воспринимающие краситель, со слабым развитием муреинового слоя и др.). Процесс отмирания превалирует над делением (μ < 0).

Фаза выживания характеризуется наличием отдельных клеток, сохранивших в течение длительного времени жизнеспособность в условиях гибели большинства клеток популяции. Выжившие клетки характеризуются низкой активностью процессов метаболизма, изменением ультраструктуры клеток (мелкозернистая цитоплазма, отсутствие полирибосом и др.). Клетки более устойчивы к неблагоприятным условиям среды.

Таким образом, при стационарном культивировании микробные клетки все время находятся в изменяющихся условиях: сначала имеются в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает их недостаток, затем отравление клеток продуктами метаболизма.

Влияние лимитирующих факторов на скорость роста . Для нормального роста и развития микроорганизмов среда должна содержать необходимые элементы питания, иметь соответствующую рН, температуру и т.д. Факторы, ограничивающие рост культуры, называются лимитирующими . Характерная особенность роста популяции микроорганизмов - зависимость удельной скорости роста от концентрации субстрата. Эта зависимость выражается уравнением Моно , представляющим собой гиперболическую функцию:

μ = μ max ? S/(S + K S) , (1.7)

где μ - удельная скорость роста;

μ max - максимальная удельная скорость роста;

S - концентрация субстрата;

K S - константанасыщения, численно равная такой концентрации субстрата, которая обеспечивает скорость роста, соответствующую половине значенияμ max .

По мере потребления питательных веществ среда обогащается продуктами обмена, которые также лимитируют рост культуры. Наиболее общий случай влияния концентрации субстрата и продуктов обмена на скорость роста популяции микроорганизмов нашел отражение в модели Н.Д. Иерусалимского:

μ = μ max ? S/(S + K S) ? К Р / (К Р + Р) , (1.8)

где Р - концентрация продуктов обмена;

К Р - константа, численно равная такой концентрации продуктов обмена, при которой скорость роста замедляется вдвое.

Анализ этого уравнения показывает, что при условии К Р >> Р, когда величиной Р можно пренебречь. скорость роста ограничена только концентрацией субстрата. Если S >> K S , то скорость роста лимитирована накоплением продуктов обмена.

Непрерывное культивирование . Если в емкость, где находится бактериальная популяция, непрерывно подавать свежую питательную среду и одновременно с такой же скоростью выводить культуральную жидкость, содержащую бактериальные клетки и продукты метаболизма, то получается непрерывное культивирование. Регулируя скорость проточной среды, можно управлять ростом бактериальной популяции, например, удлинять логарифмическую или стационарную фазу на любое необходимое время. Непрерывное культивирование осуществляется в специальных приборах - хемостатах и турбидостатах. Непрерывное культивирование микроорганизмов используется для изучения их физиологии, биохимии, генетики и др., а также широко используется в микробиологической промышленности.

Синхронные культуры - это культуры, в которых некоторое время все клетки делятся одновременно (синхронно) за счет одинаковой готовности к делению всех особей. Синхронизация достигается физическими и химико-биологическими методами. К физическим методам относится температурное воздействие, дифференциальное центрифугирование или дифференциальное фильтрование, химико-биологическим - вынужденное голодание бактерий, выращивание бактерий на неполноценных средах с последующим переносом их в полноценные среды. Синхронные культуры используются для генетических и цитологических исследований, для изучения синтеза отдельных клеточных компонентов в процессе деления бактерий.