Выращивание бактерий – занятие увлекательное и полезное. Некоторым экспериментаторам такие опыты дают возможность убедиться в наличии жизни буквально на каждом миллиметре нестерилизованной поверхности, другие, более практичные естествоиспытатели преследуют исключительно утилитарные цели (использование бактерий в приготовлении продуктов питания, в изготовлении удобрений и даже в строительстве имеет определенную популярность). Чтобы понимать, как наладить процесс культивирования микроорганизмов в специально созданных условиях, следует иметь представление о фазах роста бактерий и о тех факторах, которые влияют на жизнь бактериальной популяции, растущей на питательных средах, контролируемых человеком.
Перед заселением (инокуляцией) бактерий на поверхности с содержанием питательных веществ заводчик должен иметь достаточно информации о том, чем смогут дышать будущие бактериальные клетки и чем они могут питаться.
Дыхание
Практически все бактерии, которых можно вырастить в домашних условиях, являются либо аэробами (дышат исключительно кислородом), либо факультативными анаэробами (в зависимости от условий обитания могут менять химизм дыхательных процессов). Культуры облигатных (строгих) бактерий-анаэробов, которые гибнут в присутствии кислорода, можно выращивать только в бескислородной среде.
Питание
Состав любой среды, в которой необходимо добиться размножения бактериальной популяции, должен включать в себя вещества, содержащие углерод и азот. Существенные требования к необходимому питанию выдвигает автотрофность или гетеротрофность будущей популяции. Питающиеся неорганикой автотрофы требуют достаточного присутствия углекислого газа и карбоната (гидрокарбоната) кальция. Гетеротрофы, разлагающие органику, добывают себе еду из органических кислот, спиртов, углеводов и ароматических соединений. Потребность в азоте бактериальной популяции гетеротрофов удовлетворяется за счет органических соединений с аминогруппами – азотсодержащими органическими веществами.
Сама инокуляция бактерий на питательных средах производится либо капельным путем (вместе с жидкой субстанцией), либо механическим перемещением живой культуры с поверхности обитания на поверхность с подготовленным питанием. Можно провести ватной палочкой по поверхности стола и стряхнуть сухие частицы пыли на питательный раствор.
Рост, размножение и смерть
Фазы роста бактериальной популяции имеют выверенную микробиологами закономерность. На графике роста можно выделить четыре основных фазы, которые наглядно демонстрируют основные этапы развития бактерий на питательных средах.
Первый этап
Первая фаза роста популяции носит название лаг-фазы. Она начинается с момента заселения культуры бактерий на питательный раствор и заканчивается моментом адаптации переселенной популяции к новым условиям. В течение лаг-фазы клетки приспосабливаются к новым условиям жизни. В этой фазе отмечается задержка роста культуры и отсутствие размножения (деления) бактерий.
Продолжительность лаг-фазы зависит от возраста культуры (чем она старше, тем дольше идет приспособление) и от того, насколько различны в среде изначальной и в среде, где популяция культивируется, источники питательных веществ для бактериальной клетки. Чем больше эта разница, тем процесс адаптации дольше.
Второй этап
Следующая фаза роста живой культуры – развитие по экспоненте или экспоненциальная фаза. Приспособившись к условиям дыхания и питания в новой среде, клетки начинают активно делиться. В этой фазе у них самая высокая химическая активность, и они отличаются самой высокой жизнеспособностью. Во время фазы экспонентного роста клетки синтезируют наибольшее количество РНК – белка, который отвечает за создание новой ДНК по той информации, которая зашифрована в материнской ДНК.
Третий этап
С достижением максимального количества жизнеспособных клеток, которые способен «прокормить» имеющийся питательный раствор, фиксируется следующий этап роста живой культуры – стагнация, или стационарная фаза. Отсутствие достаточного питания замедляет все химизмы, которые происходят внутри клетки, скорость размножения падает, РНК практически не синтезируется.
В эту фазу роста популяции микробиологи наблюдают такое явление в бактериальном сообществе, как апоптоз. Апоптоз – альтруистическое поведение части бактерий, которые прекращают поддерживать в себе жизненно важные реакции (фактически, совершают суицид) тем самым отправляясь на корм выжившей части бактериальной популяции. Апоптоз дает возможность для размножения популяции в фазу стагнации.
Последний этап
Завершение жизненного цикла бактериальной клетки зависит скорее от внутренних факторов. Находясь в условиях ограниченного питания, клетки после фаз активного периода роста, размножения и стагнации накапливают в месте своего обитания продукты собственной жизнедеятельности: органические кислоты, автолиз, антибиотики, выработанные в результате бактериального метаболизма клетки.
Домашние условия
В домашних условиях колонии бактерий проще всего вырастить либо на жидкой среде (для этого подойдет бульон), либо на растительном желатине – агаре. Из двух возможных способов культивирования популяций (стационарный и непрерывный) дома можно наладить только стационарный (например, в чашках Петри).
Непрерывный предполагает постоянную подачу питательного раствора и откачку живой культуры. Этот процесс можно поддерживать только при наличии специального лабораторного оборудования, с помощью которого отслеживается необходимое количество требуемого субстрата и уровень заборов живой культуры из имеющегося бактериального инкубатора.
Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.
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.
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.
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.
Размножение бактерий путем деления — самый распространенный метод увеличения численности микробной популяции. После деления происходит рост бактерий до исходного размера, для чего необходимы определенные вещества (факторы роста).
Способы размножения бактерий различны, но для большинства их видов присуща форма бесполового размножения способом деления. Способом почкования бактерии размножаются исключительно редко. Половое размножение бактерий присутствует в примитивной форме.
Рис. 1. На фото бактериальная клетка в стадии деления.
Генетический аппарат бактерий
Генетический аппарат бактерий представлен единственной ДНК — хромосомой. ДНК замкнута в кольцо. Хромосома локализована в нуклеотиде, не имеющем мембраны. В бактериальной клетке имеются плазмиды.
Нуклеоид
Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.
Рис. 2. На фото бактериальная клетка на срезе. В центральной части виден нуклеотид.
Плазмиды
Плазмиды представляют собой автономные молекулы свернутые в кольцо двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.
Рис. 3. На фото бактериальная плазмида.
Этапы деления
После достижения определенных размеров, присущих взрослой клетке, запускаются механизмы деления.
Репликация ДНК
Репликация ДНК предшествует клеточному делению. Мезосомы (складки цитоплазматической мембраны) удерживают ДНК до тех пор, пока процесс деления (репликации) не завершится.
Репликация ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимеразами. При репликации водородные связи в 2-х спиральной ДНК разрываются, в результате чего из одной ДНК образуются две дочерние односпиральные. В последующем, когда дочерние ДНК заняли свое место в разделенных дочерних клетках, происходит их восстановление.
Как только репликация ДНК завершилась, в результате синтеза появляется перетяжка, разделяющая клетку пополам. Вначале делению подвергается нуклеотид, затем цитоплазма. Синтез клеточной стенки завершает деление.
Рис. 4. Схема деления бактериальной клетки.
Обмен участками ДНК
У сенной палочки процесс репликации ДНК завершается обменом участками 2-х ДНК.
После деления клетки образуется перемычка, по которой ДНК одной клетки переходит в другую. Далее обе ДНК сплетаются. Некоторые отрезки обоих ДНК слипаются. В местах слипания происходит обмен отрезками ДНК. Одна из ДНК по перемычке уходит обратно в первую клетку.
Рис. 5. Вариант обмена ДНК у сенной палочки.
Типы делений бактериальных клеток
Если клеточное деление опережает процесс разделения, то образуются многоклеточные палочки и кокки.
При синхронном клеточном делении образуются две полноценные дочерние клетки.
Если нуклеотид делится быстрее самой клетки, то образуются многонуклеотидные бактерии.
Способы разделения бактерий
Деление с помощью разламывания
Деление с помощью разламывания характерно для сибиреязвенных бацилл. В результате такого деления клетки переламываются в местах сочленения, разрывая цитоплазматические мостики. Далее отталкиваются друг от друга, образуя цепочки.
Скользящее разделение
При скользящем разделении после деления клетка обосабливается и как бы скользит по поверхности другой клетки. Данный способ разделения характерен для некоторых форм эшерихий.
Секущееся разделение
При секущемся разделении одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).
Рис. 6. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).
Рис. 7. На фото скользящий способ разделения кишечных палочек.
Рис. 8. Секущийся способ разделения коринебактерий.
Вид скоплений бактерий после деления
Скопления делящихся клеток имеют разнообразную форму, которая зависит от направления плоскости деления.
Шаровидные бактерии располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками или как гроздья винограда. Палочковидные бактерии — цепочками.
Спиралевидные бактерии — хаотично.
Рис. 9. На фото микрококки. Они круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.
Рис. 10. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.
Рис. 11. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.
Рис. 12. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка). Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 13. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 14. На фото извитые бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Рис. 15. На фото палочковидные бактерии рода Vibrio.
Скорость деления бактерий
Скорость деления бактерий крайне высока. В среднем одна бактериальная клетка делится каждые 20 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства. Микобактерии туберкулеза делятся медленно. Весь процесс деления занимает у них около 14 часов.
Рис. 16. На фото отображен процесс деления клетки стрептококка.
Половое размножение бактерий
В 1946 году учеными было обнаружено половое размножение в примитивной форме. При этом гаметы (мужские и женские половые клетки) не образуются, однако некоторые клетки обмениваются генетическим материалом (генетическая рекомбинация ).
Передача генов осуществляется в результате конъюгации — однонаправленного переноса части генетической информации в виде плазмид при контакте бактериальных клеток.
Плазмиды представляют собой молекулы ДНК небольшого размера. Они не связаны с геномом хромосом и способны удваиваться автономно. В плазмидах содержаться гены, которые повышают устойчивость бактериальных клеток к неблагоприятным условиям внешней среды. Бактерии часто передают эти гены друг другу. Отмечается так же передача генной информации бактериям другого вида.
При отсутствии истинного полового процесса именно конъюгация играет огромную роль при обмене полезными признаками. Так передается способность бактерий проявлять лекарственную устойчивость. Для человечества особо опасным является передача устойчивости к антибиотикам между болезнетворными популяциями.
Рис. 17. На фото момент конъюгации двух кишечных палочек.
Фазы развития бактериальной популяции
При посевах на питательную среду развитие бактериальной популяции проходит несколько фаз.
Исходная фаза
Исходная фаза — это период от момента посева до их роста. В среднем исходная фаза длится 1 — 2 часа.
Фаза задержки размножения
Это фаза интенсивного роста бактерий. Ее длительность составляет около 2-х часов. Она зависит от возраста культуры, периода приспособления, качества питательной среды и др.
Логарифмическая фаза
В эту фазу отмечается пик скорости размножения и увеличения бактериальной популяции. Ее длительность составляет 5 — 6 часов.
Фаза отрицательного ускорения
В эту фазу отмечается спад скорости размножения, уменьшается количество делящихся и увеличивается число погибших бактерий. Причина отрицательного ускорения — истощение питательной среды. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Стационарная фаза максимума
В стационарную фазу отмечается равное количество погибших и вновь образованных особей. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Фаза ускорения гибели
В эту фазу прогрессивно нарастает количество погибших клеток. Ее длительность составляет около 3-х часов.
Фаза логарифмической гибели
В эту фазу клетки бактерий отмирают с постоянной скоростью. Ее длительность составляет около 5-и часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания
В эту фазу оставшиеся живыми клетки бактерий переходят в состояние покоя.
Рис. 18. На рисунке отображена кривая роста бактериальной популяции.
Рис. 19. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета, колонии микрококков желтого цвета, колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета и колонии Bacteroides niger черного цвета.
Рис. 20. На фото колонии бактерий. Каждая колония — потомство одной-единственной клетки. В колонии число клеток исчисляется миллионами. вырастает колония за 1 — 3 суток.
Деление магниточувствительных бактерий
В 1970-х годах были открыты бактерии, обитающие в морях, которые обладали чувством магнетизма. Магнетизм позволяет этим удивительным существам ориентироваться по линиям магнитного поля Земли и находить серу, кислород и другие, так необходимые ей вещества. Их «компас» представлен магнитосомами, которые состоят из магнита. При делении магниточувствительные бактерии делят свой компас. При этом перетяжки при делении становится явно недостаточно, поэтому бактериальная клетка сгибается и делает резкий перелом.
Рис. 21. На фото момент деления магниточувствительной бактерии.
Рост бактерий
Вначале деления бактериальной клетки две молекулы ДНК расходятся в разные концы клетки. Далее клетка делится на две равноценные части, которые отделяются друг от друга и увеличиваются до исходного размера. Скорость деления многих бактерий составляет в среднем 20 — 30 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства.
Масса клеток в процессе роста и развития быстро поглощает питательные вещества из окружающей среды. Этому способствуют благоприятные факторы внешней среды — температурный режим, достаточное количество питательных веществ, необходимая pH среды. Для клеток аэробов необходим кислород. Для анаэробов он представляет опасность. Однако безграничное размножение бактерий в природе не происходит. Солнечный свет, сухой воздух, недостаток пищи, высокая температура окружающей среды и другие факторы губительно действуют на бактериальную клетку.
Рис. 22. На фото момент деления клетки.
Факторы роста
Для роста бактерий необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезируется самой клеткой, часть поступает из окружающей среды. Потребность в факторах роста у всех бактерий разная.
Потребность в факторах роста является постоянным признаком, что позволяет использовать его для идентификации бактерий, подготовке питательных сред и использовать в биотехнологии.
Факторы роста бактерий (бактериальные витамины) — химические элементы, большинством из которых являются водорастворимые витамины группы В. В эту группу входят так же гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и другие аминокислоты. При отсутствии факторов роста наступает бактериостаз.
Бактерии используют факторы роста в минимальных количествах и в неизменном виде. Ряд химических веществ этой группы входят в состав клеточных ферментов.
Рис. 23. На фото момент деления палочковидной бактерии.
Важнейшие бактериальные факторы роста
- Витамин В1 (тиамин) . Принимает участие в углеводном обмене.
- Витамин В2» (рибофлавин) . Принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях.
- Пантотеновая кислота является составной частью кофермента А.
- Витамин В6 (пиридоксин) . Принимает участие в обмене аминокислот.
- Витамины В12 (кобаламины — вещества, содержащие кобальт). Принимают активное участие в синтезе нуклеотидов.
- Фолиевая кислота . Некоторые ее производные входят в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот.
- Биотин . Участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот.
- Витамин РР (никотиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, образовании ферментов и обмене липидов и углеводов.
- Витамин Н (парааминобензойная кислота). Является фактором роста многих бактерий, в том числе населяющих кишечник человека. Из парааминобензойной кислоты синтезируется фолиевая кислота.
- Гемин . Является составной частью некоторых ферментов, которые принимают участие в реакциях окислениях.
- Холин . Принимает участие в реакциях синтеза липидов клеточной стенки. Является поставщиком метильной группы при синтезе аминокислот.
- Пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Вещества необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот.
- Аминокислоты . Эти вещества являются составляющими белков клетки.
Потребность в факторах роста некоторых бактерий
Ауксотрофы для обеспечения жизнедеятельности нуждаются в поступлении химических веществ из вне. Например, клостридии не способны синтезировать лецитин и тирозин. Стафилококки нуждаются в поступлении лецитина и аргинина. Стрептококки нуждаются в поступлении жирных кислот — компонентов фосфолипидов. Коринебактерии и шигеллы нуждаются в поступлении никотиновой кислоты. Золотистые стафилококки, пневмококки и бруцеллы нуждаются в поступлении витамина В1. Стрептококки и бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте.
Прототрофы самостоятельно синтезируют необходимые вещества.
Рис. 24. Разные условия окружающей среды по-разному влияют на рост колоний бактерий. Слева — стабильный рост в виде медленно расширяющегося круга. Справа — быстрый рост в виде «побегов».
Изучение потребности бактерий в факторах роста позволяет ученым получать большую микробную массу, так необходимую при изготовлении антимикробных препаратов, сывороток и вакцин.
Подробно о бактерияx читай в статьях:
Размножение бактерий является механизмом повышения числа микробной популяции. Деление бактерий — основной способ размножения. После деления бактерии должны достигнуть размеров взрослых особей. Рост бактерий происходит путем быстрого поглощения питательных веществ их окружающей среды. Для роста необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезирует сама бактериальная клетка, часть поступает из окружающей среды.
Изучая рост и размножение бактерий, ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.
