Главная > Заболевания сердца > Размножение бацилл. Условия выращивания микробов в искусственных средах. Степень бактериальной популяции

Размножение бацилл. Условия выращивания микробов в искусственных средах. Степень бактериальной популяции

Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска -клеточной пластины.

Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.

Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).

При периодическом культивировании у бактерий наблюдается последовательная смена фаз роста, которую отражает кривая роста (рис. 54).

Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лаг-фазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.

Рост бактериальной клетки. Увеличение биомассы клеточной протоплазмы, возникающее в результате синтеза пластического материала в процессе питания, называется ростом. Микробы растут быстро, достигая в течение короткого времени предела своей физиологической зрелости.

Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции Ї культуры.

Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечиые ДНК, обладающие генетической информацией.

Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.

Размножение Ї бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дисъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов Ї нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.

Бактериальные клетки быстрее делятся в начальных стадиях роста популяции. В более поздних стадиях деление идет медленнее, часть материнских клеток отмирает, и у отдельных видов бактерий появляются разнообразные включения.

В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15Ї20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.

При таком размножении микробные клетки могли бы покрыть всю поверхность не только морей, океанов, но и материков. Следовательно, жизнь людей на нашей планете была бы невозможной. Однако в размножении микробов не существует абсолютного закона геометрической прогрессии. На их рост и размножение отрицательное влияние оказывают антагонистические взаимоотношения микроорганизмов, истощение питательной среды, кислородная недостаточность, накопление ядовитых продуктов жизнедеятельности микробов. Эти факторы препятствуют непрерывному делению клеток.

Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В Ї 1,5 млрд., бактерии дизентерии ГригорьеваЇ Шига и стафилококковЇ300 млрд., палочки брюшного тифа Ї 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-к он центрацией (М Ї максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-коицентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентраццю,Ї лишние погибают.

Размножение бактерий в популяции. Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.

При выращивании микробов на плотных питательных средах выявляются некоторые особенности их роста, т. е. появляются колонии, представляющие потомство одной или нескольких клеток. Внешний вид колоний, их форма, цвет, прозрачность, величина и другие свойства являются отличительными признаками для каждого вида бактерий. Ряд видов бактерий, имеющих жгутики, на агаре дают сплошной рост, покрывающий всю поверхность чашки (вульгарный протей). Спорогенные виды отличаются по характеру колоний, образуя непрозрачные колонии с матовой поверхностью.

Рост бактериальных клеток в жидких питательных средах характеризуется единообразием, чего нет на плотных питательных средах. Однако и при этом методе можно наблюдать некоторые особенности роста бактерий. Виды, образующие сухие колонии на плотных средах, дают разнообразные осадки в прозрачном бульоне. Виды, образующие мягкие и влажные колонии, в основном дают гомогенный рост, равномерно мутящий питательную среду.

Для культуры, растущей в жидкой среде, аэрация имеет большое значение. Известно, что в пробирках или колбах только верхние слои жидкости соприкасаются с атмосферным воздухом, и в силу этого некоторые облигатные аэробы, например, микобактёрии туберкулеза, холерный вибрион и др., скапливаются на поверхности, образуя нежную пленку.

Фазы роста бактериальной популяции. В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.

В исходной фазе (отрезок I) происходит приспособление бактерий к новым условиям обитания с момента их посева на питательную среду. В этой фазе бактерии не размножаются. Длительность исходной фазыЇ 1Ї2 часа.

Начальная фаза размножения (отрезок II) характеризуется усилением обменных процессов, скоростью роста и делением клеток. Однако размножение бактерий происходит медленно. Продолжительность этой фазы Ї 2 часа.

В логарифмической фазе (отрезок III) наблюдаются ускоренный рост и деление клеток. В этой фазе максимального размножения формируются типичные для каждого вида бактерий морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и вирулентные свойства. Длительность фазы Ї 5Ї6 часов.

Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются,- выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.

Стационарная фаза (отрезок V) характеризуется постоянной концентрацией живых клеток в питательной среде. Умеренное размножение клеток не приводит к увеличению микробной массы. В этой фазе устанавливается равновесие между количеством погибающих и возникающих клеток. Продолжительность фазы Ї 2 часа.

Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4Ї5 часов.

В фазе логарифмической гибели (отрезок VII) массовое отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность фазы около 5 часов.

Фаза уменьшения скорости отмирания (отрезок VIII) характерна тем, что оставшиеся в живых бактерии переходят в состояние покоя.

Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15Ї20 минут, брюшнотифозные бактерии Ї 20Ї25 минут, стрептококки Ї 25Ї30 минут, микобактёрии туберкулезаЇ18Ї 20 часов.

Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2Ї

3 дня, а кишечной палочки Ї месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.

Бактерии, как и все живые организмы, размножаются. Происходит это чаще всего путем простого поперечного деления в различных плоскостях. При этом образуются разнообразные сочетания клеток: парные соединения, одиночные клетки, гроздья, цепочки, пакеты и др.

Некоторые микроорганизмы размножаются спорообразованием (актиномицеты и грибы) и почкованием (дрожжи), у некоторых микроорганизмов наблюдается половое размножение, но большинство из них размножается бесполым (вегетативным) путем. При благоприятных условиях размножение протекает с необыкновенной быстротой - каждые 20-30 минут материнская бактериальная клетка делится на две дочерние. Дочерняя клетка со временем становится материнской и также делится. Таким образом, деление бактерий идет в геометрической прогрессии. Если бы такое деление шло беспрепятственно, то через 48 часов одна бактерия могла бы дать потомство в сотни биллионов клеток, а через пять дней такую массу, которая заполнила бы собой бассейны всех морей и океанов. Однако этого не происходит, поскольку на микроорганизмы действуют различные факторы окружающей среды.

Делению клетки предшествует равномерное увеличение общего азота, РНК и белка в цитоплазме. Затем происходит репликация (удвоение) ДНК. В делящейся клетке между спиралями ДНК разрываются водородные связи и образуются одиночные дочерние спирали ДНК (рис.25).

Рис. 25. Процесс бинарного деления палочковидных прокариот

1 - образование одиночных спиралей ДНК;

2 - удвоение (репликация) ДНК;

3 -вытягивание клетки;

Формирование перегородки;

4 - окончание формирования перегородки и образование выпуклой клеточной стенки;

5 -разделение клеток.

Сразу после репликации ДНК начинается вытяжение клетки и образование поперечной перегородки за счет двух слоев цитоплазматической мембраны, выпячивающейся навстречу друг другу. Чаще всего перегородка образуется посередине материнской клетки, в результате чего дочерние клетки имеют примерно одинаковые размеры. Между слоями перегородки идет формирование клеточной стенки.

Одиночная спираль ДНК в новых клетках служит матрицей для создания второй спирали, в результате чего образуется двойная спираль ДНК с восстановленными водородными связями и формируется новый нуклеоид.

В процессе размножения одна из половин клетки постоянно сохраняет жгутики. На конечном этапе размножения бактерий жгутики вырастают и у другой половины.

Рост и размножение микроорганизмов зависит от различных факторов окружающей среды и видовых характеристик. Наблюдение за развитием микроорганизмов, культивируемых в жидкой питательной среде в замкнутых резервуарах, показывает, что для роста биомассы необходимы наличие источника энергии, присутствие компонентов, необходимых для синтеза биомассы, отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток, поддержание в среде необходимых физико-химических условий. В этих условиях рост микроорганизмов условно можно подразделить на несколько последовательных фаз или периодов (рис. 26):

Рис. 26. Типичная кривая роста популяции микроорганизмов 1 - лаг-фаза;

2 - фаза ускоренного роста; 3 - фаза логарифмического (экспоненциального) роста;

4 - фаза замедления роста; 5 - фаза стационарного роста; 6 - фаза старения и отмирания.

1. лаг-фаза (англ. lag - запаздывание) - период между посевом бактерий и началом размножения. В этот период происходит адаптация бактериальной культуры к питательной среде. Она проявляется в накоплении оптимального количества необходимых ферментов, в инактивации некоторого ингибитора, присутствующего в среде, в прорастании спор и др. При благоприятных условиях бактерии увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Лаг-фаза может длиться от 10 минут до нескольких часов, но в среднем она составляет 4-5 часов.

2. Фаза ускоренного роста наблюдается после лаг-фазы и характеризуется нарастанием темпов деления микроорганизмов и накопления биомассы.

3. Фаза логарифмического или экспоненциального роста является периодом наиболее интенсивного деления бактерий. Бактерии делятся каждые 20-40 минут. Во время этой фазы бактерии особенно ранимы, что объясняется высокой чувствительностью растущих клеток к факторам окружающей среды. Продолжительность экспоненциального роста зависит от концентрации питательных веществ в субстрате и в среднем составляет 5-6 часов.

4. Фаза замедления роста является переходным периодом от экспоненциального роста к фазе стационарного роста. Во время этой фазы наблюдается истощение питательных веществ субстрата и накопление в нем продуктов метаболизма, что снижает интенсивность размножения микроорганизмов.

5. Фаза стационарного роста вызывается постепенным истощением среды, накоплением в ней литических ферментов, химическим ингибированием роста микробной клетки продуктами метаболизма. Эта фаза отличается от предыдущей повышенной сопротивляемостью бактерий многим химическим и физическим факторам. К началу этой фазы количество жизнеспособных клеток достигает максимального уровня и остается на этом максимуме в течение нескольких часов в зависимости от вида микроорганизмов и особенностей их культивирования. В конце этой фазы у некоторых микроорганизмов наблюдается процесс спорообразования.

6. Завершающая фаза процесса размножения - фаза старения и гибели - характеризуется отмиранием бактерий из-за истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма. Наблюдается автолиз микроорганизмов как экстремальное проявление нестабильности клетки после прекращения роста. Продолжительность этой фазы может составлять от нескольких часов до нескольких недель.

Бактерии самая древняя форма жизни на земле. Появились на планете около 3,8-3,6 миллионов лет назад. Агрессивные климатические условия сделали их выносливыми и стойкими к выживанию. Древнейшим существом будут цианобактерии.

Именно они поспособствовали накоплению в атмосфере кислорода. Наш организм состоит из многочисленных их видов. Различают полезные и вредные типы. Обитают везде: в воде, в воздухе, в человеке и животных существах, в слоях почвы.

Объем колоний зависит не только от строения, но и от того как происходит деление бактерий. Строение примитивное. Аппарат представляется слизистой капсулой или мембраной. Микроорганизм состоит из всего-то одной живой клетки.

В цитоплазме нет митохондрий и пластид. У большинства микробов есть жгутики и усики, с помощью них они и передвигаются по крови, сосудам и тканям. Являются прокариотами, то есть в них нет ядра.

Это значит, что микрочастицы ДНК скапливаются в определенной части цитоплазмы. Имеют название нуклеотиды. Нуклеотиды своеобразный род ядра, в нем то и содержится информация. ДНК хранит сведения в сжатом виде. При ее разворачивании длина достигает 1 мм.

Размножение бактерий происходит путем деления.

Следует знать, что бактерии размножаются только при наличии благоприятных факторов, каких рассмотрим ниже.

Для их роста нужны:

свет;
температура;
наличие кислорода;
влажность;
фактор щелочности и кислотности;

У медиков интерес вызывает температурные условия. Для того, чтобы клетки делились требуется определенная температура. Некоторые классы при очень низкой впадают в состояние анабиоза или спячки, другие же только при высокой не могут продолжить свой рост и разрушаются.

Если одних можно убить кипячением воды, другие прекрасно себя чувствуют, также и с замораживанием. Среди этого предела есть средние условия при которых может осуществляться максимальное развитие с высокой скоростью. Нужная температурная фаза от 23 до 30 градусов, для течения патогенной флоры требуется 38 градусов.

В этой среде плодятся бактериальные простейшие. В идеальных условия прокариоты способны производить 34 триллиона потомков за сутки. Состояние взросления происходит где-то за 20 минут. К счастью живут они не долго, несколько минут или часов.

Что нужно для некоторых микроорганизмов?

Стафилококковая группа нуждается в аргинине и лецитине. Стрептококки в фосфолипидах. Шигеллам, корине бактериям нужна подпитка никотиновая кислота. Золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллез не сможет без витамина Б1, а вот прототрофы сами синтезируют необходимое.

Пути созревания

Как говорилось ранее развитие простейших осуществляется путем деления.

Оно бывает:

простым;
почкованием;
конъюгацией, половым путем;

Простой путь

При первом методе бактерии могут плодиться равновеликим поперечным делением. Материнские клетки после удваивания нитей ДНК и органелл образуют две части, а именно дочерние клетки. Генетический код сформирован аналогично материнскому.

Они как бы клонируют сами себя. В течение суток из одной клеточки выходит 70 поколений. Если предположить, что все они могли жить, масса составила более 5 тонн. Конечно такое невозможно в природе.

Вегетативный этап

Или проще почкование обозначается тем, что существа выращивают на одном из полюсов вторую почку, то есть себя. При ответвлении наступает разрыв нитей ДНК. Именно гетероцисты участвуют в процессе. К такому методу прибегают цианобактерии и колониальные породы.

Таким образом прокариоты могут вырастить до 4 почек, после чего наступает старение и гибель. Кокковые колонии отделяясь свободно идут в рост.

Спорообразование

Есть раздвоение спорами.

Каким образом происходит?

Бациллы репродуцируют себя таким образом при наступлении неблагоприятных условий внешней и внутренней среды. Внутри споры делается особа среда, приостанавливается механизм жизни, уменьшается уровень воды. Если бацилла попала в такое состояние ей не страшен холод, жара, излучения разной этиологии, химические средства.

Как только улучшаются факторы выходят молодые прокариоты. Цикл становится очень длительным. Науке даже известны случаи когда ученые находили простейших, которым десятки, а то и сотни лет.

Половой путь

Конъюгация происходит у бактерий живущих преимущественно в человеческом организме, либо теле животного. Здесь две формы соприкасаются друг с другом и начинается обмен данными. Называется генетическая рекомбинация, образование новых видов.

Половым способом размножаются бактерии кишечной палочки и остальные грамположительные и грамотрицательные типы. Если отсутствует истинное направление то такой обмен между ними является полезным и мочь поспособствовать развитию устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.

Инциститация

Еще один путь защиты от агрессивных обстоятельств преобразование в цист. Цисты обозначают пузырьки в толстой оболочке. Находится в таком положении бациллы могут очень долго. Даже 200 градусов по Цельсию не уничтожит их. Далее при положительных причинах они выходят наружу делясь бинарно.

Так, что приемы приумножения возбудителей подчиняются внешней среде. Недостаток воды, большое содержание кислорода в воздухе, лишение высокопитательных микроэлементов. Низкие или высокие перепады температур заставляют прибегнуть к спорообразованию, инцистированию.

Степень бактериальной популяции

Живя в благоприятных условиях клетки находятся на исходной стадии, начальной. Средняя продолжительность 1-2 часа. Задержание роста, занимает примерно пару часов. При логарифмическом периоде бациллы могут размножаться в быстром порядке, пик достигается через 6 часов.

Отрицательное ускорение, когда истощаются питательные запасы микроэлементов и веществ. Стационарная ступень, погибшие особи заменяются новыми уже через два часа. Этап ускоренной гибели, бациллы гибнут через каждые 3 часа. Логарифмический фазис, отмечается постоянная смерть, составляет 6 часов.

Снижение скорости смерти, на этом моменте оставшиеся живые клеточки переходят в состояние покоя.

Многоклеточная стадия

Одноклеточная фаза способна делать все функции организма, на это не влияют соседствующие рядом микроорганизмы. Одноклеточные образовывают клеточные агрегаты, они скрепляются слизью.

Часто появляется скопление бацилл в одну ветвь. Так микобактерии развивают цисты, получается своеобразный обмен. Явление служит пред посылом к многоклеточному формированию. К ним относятся цианобактерии, актиномицеты.

Каким требованиям должны отвечать особи:

агрегированностью клеток;
разделением свойств между ними;
установка должного контакта между особями;

У нитчатых особей структура описана в клеточной стенке, создает взаимосвязь между индивидуумами. Обмен у бактерий происходит веществами и энергией. Некоторые нитчатые помимо вегетативных особей содержат дифференциальные гетероцисты или акинеты.

Локализация

В зависимости от разбивки бациллы имеют определенные виды скоплений:

шаровидные;
спиралевидные;

Первые обнаруживаются в паре или по одному, это диплококки, микрококки, стафилококки. Могут выглядеть как веточки винограда, цепочки. Спиралевидные, разбросаны в хаотичном порядке, к ним причисляются лептоспирозы, вибрио.

Рост и размножение микроорганизмов

Рис.1. Цикл развития сенной палочки

1 - молодая сенная палочка; 2 - сенная палочка, сбросившая жгутики; 3 - деление цепочки клеток; 4 - образование жгутиков у цепочек; 5 - образование спор

Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции ― культуры. Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечные ДНК, обладающие генетической информацией. Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.

Рис.2. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий

а - стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), × 32 000; б - кишечной палочки - в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 - клеточная стенка, 2 - цитоплазматическая мембрана, 3 - нуклеоид; × 22 000.

Размножение ― бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дизъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов ― нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.

В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15―20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.

Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В ― 1,5 млрд., бактерии дизентерии Григорьева― Шига и стафилококков―300 млрд., палочки брюшного тифа ― 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-концентрацией (М ― максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-концентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентрацию,― лишние погибают.

Размножение бактерий в популяции

Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.

Фазы роста бактериальной популяции

В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.

Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются, - выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.

Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4―5 часов.

Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15―20 минут, брюшнотифозные бактерии ― 20―25 минут, стрептококки ― 25―30 минут, микобактёрии туберкулеза―18― 20 часов.

Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2―

3 дня, а кишечной палочки ― месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.

Клетки, как любой живой организм, рождаются, живут и умирают. Рост и размножение бактерий происходит очень быстро, они могли бы захватить все жизненное пространство на планете, если бы не их хрупкость и сдерживающие факторы (температура, уровень кислотности среды, отсутствие пищи и т. д.). При благоприятных условиях удвоение клетки занимает в среднем около получаса. Однако в критических ситуациях некоторые виды микроорганизмов (спорообразующие бактерии) способны образовывать споры и «впадать в спячку» на довольно длительный период.

Быстрое размножение бактерий имеет свои плюсы и минусы. Использование микроорганизмов в биотехнологиях (дрожжи, молочнокислые, азотфиксирующие организмы, плесневые грибки и т. д.) направлено на улучшение качества жизни. Однако неконтролируемый рост болезнетворных (патогенных) микробов опасен для людей. Навредить здоровью может и собственная микрофлора человека. В медицине существует понятие синдрома избыточного бактериального роста, при котором количество условно-патогенных микробов в организме человека резко увеличивается, что представляет угрозу для здоровья.

С чего все начинается

Рост и размножение клетки – это два различных процесса. Под ростом понимают увеличение массы клетки вследствие формирования всех клеточных структур. Размножение – это увеличение количества клеток в колонии. Различают бинарное деление, почкование и генетическую рекомбинацию (процесс, напоминающий половое размножение).

Большинство прокариотических (безъядерных) клеток, к которым принадлежат все бактерии, размножается путем разделения надвое (бинарное деление). Таким способом размножаются, например, молочнокислые бактерии. Процесс начинается с удвоения бактериальной хромосомы (молекула ДНК, заменяющая ядро) и протекает в несколько этапов:

клетка удлиняется;
наружная оболочка «врастает» внутрь и образует поперечную перегородку (перетяжку);
две новые (дочерние) клетки расходятся в разные стороны.

В результате получаются два идентичных организма.

Отдельные микроорганизмы делятся почкованием, но это скорее исключение из общего правила. Процесс заключается в образовании на одном из полюсов клетки короткого выступа, в который «дрейфует» одна из половин разделившегося нуклеоида (молекулы ДНК с генетической информацией). Затем выступ разрастается и отделяется от материнской клетки.

Есть еще вариант, напоминающий половое размножение, – генетическая рекомбинация. В этом случает происходит обмен генетической информацией и в результате получается клетка, содержащая гены своих родителей. Существуют три способа передачи генетической информации:

конъюгация – прямая передача (не обмен) части ДНК при контакте от одной бактерии к другой (процесс идет только в одном направлении);
трансдукция – перенос фрагмента ДНК с помощью бактериофага (вируса бактерий);
трансформация – поглощение генетической информации отмерших или уничтоженных клеток из окружающей среды.

Таким образом, только в результате бинарного деления и почкования получаются идентичные друг другу клетки. При генетической рекомбинации клетка претерпевает изменения, вырабатывая новые свойства и получая другие функции.

Скорость и фазы роста микроорганизмов

В питательных средах рост и размножение бактерий проходят в несколько стадий, различных по количеству доступной пищи и накоплению отходов жизнедеятельности:

Первая фаза (латентная) определяется факторами адаптации к питательной среде. В это время микроорганизмы только осваиваются с новыми условиями. Рост бактерий не наблюдается.
Вторая фаза (экспоненциальная) характеризуется ростом в геометрической прогрессии (увеличение по экспоненциальной кривой). В этот период бактериальные клетки активно растут, используя всю доступную пищу (максимальная скорость роста). Достигнув определенного размера, бактерия начинает делиться, причем процесс размножения протекает с постоянной скоростью, так как запасов пищи пока достаточно. В результате увеличившейся скорости роста и размножения происходит накопление в среде отходов жизнедеятельности (токсинов). К концу фазы скорость роста начинает уменьшаться.
Третья фаза характеризуется стационарным ростом, т. е. количество «новорожденных» клеток совпадает с числом отмерших. Кривая роста и размножения на этом отрезке больше не поднимается. Скорость роста замедляется. Какое-то время общая численность бактерий в питательной среде остается неизменной. Однако за счет появления новых «членов семьи» запасы питательных веществ уменьшаются, а токсичность среды увеличивается. Этот процесс ухудшает условия жизни всей колонии.
Четвертая фаза – отмирание микроорганизмов – возникает в результате катастрофического уменьшения пищи и увеличения токсичности среды. Количество живых организмов неуклонно уменьшается, в конце концов, жизнеспособных клеток становится меньше, чем их отмерших собратьев.

Скорость кинетического роста бактериальной колонии во многом зависит от вида бактерий, состава питательных сред, количества посеянных (внесенных в среду) клеток, возраста культуры, способа дыхания и еще ряда факторов. Например, для размножения молочнокислых бактерий важно поддержание температур в довольно узком диапазоне (25-30⁰С) и определенный уровень кислотности среды (рН). Для размножения аэробных и анаэробных клеток решающим фактором становится наличие или отсутствие кислорода для дыхания, а спорообразующим клеткам необходимо достаточное количество пищи.

Условия выращивания микробов в искусственных средах

Для изучения (медицина, микробиология) и использования (промышленность) выращивают бактериальные культуры на искусственных питательных средах, которые разделяются по консистенции, происхождению и назначению:

жидкие, полужидкие и плотные (твердые) искусственные среды;
среды животного, растительного происхождения или синтетические (химически чистые соединения в строго определенной концентрации);
обычные (универсальные), дифференциальные (различаются по видам бактерий), специальные, избирательные или среды обогащения (подавляющие рост нежелательных микробов).

Существуют бактерии, которым требуются особые условия. Например, анаэробные микроорганизмы (как спорообразующие, так и не спорообразующие) культивируют в анаэробных условиях (без кислорода). Для аэробных клеток решающим фактором размножения становится кислород. Факультативные анаэробы способны менять способ дыхания в зависимости от условий. Спорообразующие аэробные организмы, используемые для получения пробиотиков, очень чувствительны к уменьшению питания и его качеству. Спорообразующие анаэробы требуют полного отсутствия кислорода. Основной принцип культивирования микроорганизмов – создание благоприятных условий (питание, дыхание, температура), что иногда представляет определенные трудности.

Так, для выращивания анаэробов применяют метод глубокого посева, т. е. культуру бактерий вносят в глубину плотной питательной среды, добавляют в атмосферу роста химические вещества, поглощающие кислород, или откачивают воздух, замещая его инертным газом. В случае со спорообразующими бактериями используют внесение в питательную среду ингибитора белкового синтеза, тем самым останавливая процесс спорообразования.

Культивирование микроорганизмов

Под культивированием понимают искусственное выращивание клеток в контролируемых условиях. Конечная цель – получение биопрепарата из бактерий или с помощью бактерий. Такие препараты могут быть лечебными, диагностическими, профилактическими. Существует несколько методов культивирования:

Стационарный способ характеризуется постоянством среды, какое-либо вмешательство в процесс отсутствует. Однако при таком методе культивирования в жидких питательных средах анаэробные организмы дают незначительный выход.
Метод глубинного культивирования используют в промышленности для выращивания бактериальной биомассы. Для этой цели применяют специальные емкости. Факторами роста являются поддержание температуры и подача в жидкие среды питательных веществ. Кроме того, при необходимости проводят перемешивание или подачу кислорода (для дыхания аэробных бактерий).
Метод проточных сред (промышленное культивирование) основан на постоянном поддержании культуры в экспонентной фазе роста. Это достигается непрерывным внесением питательных веществ и выведением токсичных отходов жизнедеятельности клеток. Такая технология позволяет достичь максимального выхода различных биологически активных веществ (антибиотические препараты, витамины и т. д.).

Одним из важнейших промышленных препаратов является культура молочнокислых бактерий, которые используются для приготовления молочной закваски, квашения капусты, силосования кормов, производства заменителя плазмы крови. Для получения гарантированного конечного результата нужно строго контролировать получаемое качество молочнокислых бактерий.

Нужны соответствующая питательная среда и препарат с чистой культурой молочнокислых бактерий, выращенной в лабораторных условиях. Далее процесс культивирования оставляют до момента наступления третьей фазы (равновесия), после чего можно приступать к сбору «урожая» молочнокислых бактерий.

Синдром избыточного бактериального роста

Не всегда рост бактериальных клеток приносит пользу, излишнее увеличение популяций бактерий в организме человека может быть опасным для здоровья. Нарушение качественного и количественного состава микрофлоры кишечника называют клиническим синдромом избыточного роста бактерий. Медики утверждают, что использовать для описания этого процесса термин «дисбактериоз» не совсем корректно. Дело в том, что количество полезных для организма анаэробных бактерий (бифидобактерии) действительно уменьшается, но число условно-патогенных клеток (например, аэробной кишечной палочки) увеличивается.

На разных участках желудочно-кишечного тракта обитают различные бактерии. В тонком кишечнике по мере продвижения постепенно меняется состав микрофлоры и количество микроорганизмов. Аэробные (растущие в кислородной среде) виды бактерий постепенно уступают место анаэробным (бескислородная среда). При клиническом синдроме избыточного роста бактериальный спектр смещается в сторону грамотрицательных (большинство патогенных), факультативно-аэробных и анаэробных организмов.

По мере приближения к толстой кишке увеличивается количество анаэробных бактерий (бифидобактерии и бактероиды). Основные представители анаэробной микрофлоры – бифидобактерии – отвечают за синтез белков, витаминов группы В, различных кислот и других необходимых для жизни веществ. Аэробные микроорганизмы (кишечная палочка) вырабатывают целый ряд витаминов и кислот, участвующих в пищеварении и поддерживающих иммунитет.

Молочнокислые бактерии – еще один представитель кишечной микрофлоры. Они относятся к микроаэрофильным организмам, т. е. одним из факторов роста и размножения молочнокислых бактерий является кислород, но в очень небольших количествах. Эти микроорганизмы отвечают за регулирование кислотности желудочно-кишечного тракта, благодаря чему тормозится рост гнилостных бактерий.

Каждый вид бактерий выполняет свою, четко обозначенную функцию. При синдроме избыточного роста фекальная микрофлора, в нормальных условиях обитающая в толстом кишечнике (кишечная палочка или анаэробные клетки), попадает в тонкую кишку. Меняется количественный и качественный состав бактериальной микрофлоры, выполнение некоторых функций замедляется или становится невозможным. Появляются условия для роста и размножения патогенных бактерий.

Клинические критерии заболевания

Критерием развития синдрома избыточного бактериального роста могут служить:

нарушение пищеварения, снижение иммунитета, изменение кислотности желудка;
нарушение целостности кишечного тракта;
последствия оперативного вмешательства;
заболевания желудочно-кишечного тракта;
стрессы;
неконтролируемый прием антибиотических препаратов.

Клинические проявления синдрома избыточного роста бактерий легко спутать с другими заболеваниями, зачастую они наслаиваются друг на друга, полностью искажая картину. Поставить диагноз в таких случаях можно только с помощью специальных тестов, направленных на выявление синдрома избыточного роста, определяющих не только количество, но и видовую принадлежность бактерий. Такой подход позволит подобрать необходимые медикаментозные препараты для коррекции состава микрофлоры.

Клинические симптомы заболевания:

на ранней стадии болезни появляется диарея и метеоризм;
вздутие живота и спазматические боли;
утомляемость, слабость;
быстрое похудение.

Для лечения синдрома избыточного роста применяют антибактериальные препараты. В дальнейшем для восстановления микрофлоры понадобятся пробиотические и пребиотические препараты.

Большое разнообразие бактериальных клеток (автотрофы и гетеротрофы, аэробные и анаэробные, спорообразующие и неспорообразующие и т. д.) диктует определенные условия для их размножения. Основной принцип культивирования в промышленных масштабах – строгий контроль условий среды и скорости роста. В природе редко существуют идеальные среды для развития микроорганизмов. В противном случае бактерии давно заполонили бы все доступное пространство.

13.06.2019

Заболевания сердца

Самое интересное:

Иосиф виссарионович сталин - биография, информация, личная жизнь

Умер Рома Англичанин из рэп-группы ЛСП: почему, что случилось, причины смерти

Опыт выращивания азимины Как получить семена из покупного банана и прорастить их