Основные параметры роста культур прокариот.

Рост бактерий — увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции, а также скоординированное увеличение всех химических компонентов, формирующих клеточные культуры. Рост клеток сопровождается увеличением их массы и размеров. Однако это не обязательно, т.к. клетки могут накапливать запасные или резервные вещества (масса увеличивается, но роста при этом не наблюдается). В подходящей среде, к которой бактерии полностью адаптированы, они находятся в состоянии сбалансированного роста. В период сбалансированного роста удвоение биомассы сопровождается удвоением параметров популяции, например количества белка, ДНК, РНК и внутриклеточной воды. Культуры, растущие сбалансировано сохраняют постоянный химический состав. И поэтому при сбалансированном росте легко определить скорость роста бактериальной популяции в каждый момент времени, если измерить прирост любого компонента клетки по отношению к исходному количеству этого компонента.

В культуре, растущей сбалансировано, скорость прироста вещества клеток в любой данный момент пропорциональна числу или массе имеющихся в это время бактерий. Коэффициент пропорциональности (μ) (Мю) называют удельной скоростью роста. Она различна для разных культур и может меняться в зависимости от условий выращивания клеток.

Где – t – это время, а N – это число клеток в единице объема.

Зная скорость роста, можно определить время генерации g (время, необходимое для удвоения числа клеток в популяции):

g = 1

μ

Если рост клеток в культуре ограничен количеством внесенного в питательную среду какого-то компонента, то между начальной концентрацией внесенного в среду этого компонента и полученной биомассой клеток существует постоянная линейная зависимость (при условии ограничения роста только одним параметром). Поэтому масса клеток, образованная на единицу использованного компонента среды, представляют собой величину называемую экономическим коэффициентом или выходом биомассы - Y.

Используют два основных способа культивирования микроорганизмов: периодическое (статическое) и непрерывное (проточное).

Рост бактерий в периодической культуре происходит до тех пор, пока содержание какого-нибудь из компонентов питательной среды не достигнет минимума, после чего рост прекращается. Если на протяжении этого времени не добавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов метаболизма, то получим так называемую периодическую культуру (популяцию клеток в ограниченном жизненном пространстве).

Изменение численности популяции клеток при периодическом культивировании имеет определенную закономерность. Если по оси абсцисс отложить время, а по оси ординат – логарифм числа жизнеспособных клеток, то можно построить кривую роста бактерий. Типичная кривая роста имеет S- образную форму. Анализируя кривую можно различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности:

1) начальную или лаг-фазу;

2) экспоненциальную или логарифмическую фазу;

3) стационарную фазу;

4) фазу отмирания.

Кривая роста бактериальной культуры:

1) лаг-фаза; 2) экспоненциальная фаза;

3) стационарная фаза; 4) фаза отмирания.

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

Экспоненциальная фаза характеризуется активным делением подавляющей массы клеток бактериальной популяции. Число клеток возрастает в геометрической прогрессии. Характеризуется постоянной максимальной скоростью или скоростью роста. Эта скорость зависит от вида бактерий. Бактерии E. coli при 37⁰С делятся каждые 20 мин, а бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter – 5-10 часов.

Во время этой фазы клетки имеют приблизительно равный размер, содержание белка в них тоже постоянно. Клетки содержат максимальное количество РНК. Клетки на этой фазе наиболее жизнеспособны и обладают высокой биохимической активностью.

Стационарная фаза наступает тогда, когда число живых клеток достигает максимума и перестает увеличиваться, так как скорость размножения бактерий равна скорости их отмирания. Так как скорость роста зависит от концентрации субстрата, то при уменьшении этой концентрации, еще до полного использования субстрата, она начинает снижаться. Скорость роста может снижаться не только из-за нехватки субстрата, но также из-за большой плотности бактериальной популяции, из-за низкого парциального давления О₂ или накопления токсичных продуктов обмена. Все эти факторы способствуют переходу к стационарной фазе. Химический состав клеток отличается от состава в экспоненциальной фазе. Химический состав клеток зависит от фактора, ограничивающего рост. Клетки в стационарной фазе меньше по размеру, содержат меньше РНК, более устойчивы к физическим воздействиям и химическим агентам, чем в экспоненциальной фазе роста культур. В этот период в клетках и в среде нередко накапливаются продукты вторичного метаболизма (антибиотики, пигменты, бактериоцины и др.). Продолжительность этой фазы от нескольких часов до недели в зависимости от вида микроорганизмов.

В стационарную фазу роста поведение клеток бактериальной популяции регулирует такое явление как апоптоз. Суть его сводится к тому, что при исчерпании питательного субстрата голодающая популяция разделяется на две субпопуляции, одна из которых гибнет и подвергается автолизу, а клетки другой субпопуляции, используя продукты автолиза как субстрат, продолжают размножаться.

В фазе отмирания происходит снижение числа живых клеток. Скорость отмирания бактерий широко варьирует в за­висимости от условий и особенностей организма. Например, энтеробактерии отмирают медленно в отличие от некоторых видов бактерий рода Bacillus, которые отмирают быстро. Причины отмирания клеток могут быть разными. Это и накопление органических кислот (как у бактерий родов Escherichia. Lactobacillus), автолиз (лизис под дейст­вием собственных ферментов), накопление антибиотиков, бактерио-цинов и другие причины.

Размножение бактерий — процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции.

Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения. 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 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. 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.

Микробные популяции. На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток — колонии, различные по размерам, форме, поверхности, окраске и т.д. (на лабораторных занятиях). На жидких средах рост бактерий характеризуется образованием пленки на поверхности питательной среды, равномерного помутнения или осадка. Также встречаются так называемые зооглеи и биопленки. Зооглея (от зоо... и греч. gloiós — липкое вещество, клей), слизистое образование, возникающее при склеивании бактерий, выделяющих слизь или имеющих слизистые капсулы. З. состоит из полисахаридов, иногда с примесью азотистых соединений. Характерна только для некоторых (преимущественно водных) бактерий, в частности для рода Zoogloea ramigera (отсюда название). З. может быть пальцевидной, коралловидной, брыжеечной или иной формы. Возникновение З., по-видимому, носит приспособительный характер. Биопленки – это сообщества микроорганизмов, объединенных матриксом из выделенных ими полимеров. Возникают только в естественных условиях на границе раздела фаз: жидкости и воздуха, жидкости и твердого тела, твердой поверхности и воздуха двух несмешивающихся жидкостей. Представители: зубная бляшка, возникающая на влажной поверхности зубов, чайный гриб, который представляет собой симбиоз уксуснокислых бактерий и дрожжей многих видов.