В отличие от многоклеточных организмов, в одноклеточных организмах рост и размножения (деление клетки) тесно связанные. Бактерии дорастают к определенному размеру, после чему проводят процесс деления, форму бесполого размножения. При оптимальных условиях бактерии могут растить и делиться чрезвычайно быстро, до одного деления каждое 9,8 минут для определенных видов бактерий. При делении клетки создаются две генетически идентичных дочерних клетки. Некоторые бактерии, хотя тоже размножаются без полов, формируют более сложные воспроизводящие структуры, которые облегчают распространение новых дочерних клеток. Примеры включают создание плодовых тел миксобактериями, создание воздушных гиф представителями рода Streptomyces и почкование. Почкование означает формирование выступления, которое позднее отделяется, формируя отдельную клетку.

В лабораторных условиях бактерии по обыкновению выращивают, используя твердую или редкую среду. В качестве твердого среды используются чашки Петр с пластом агара, который содержит питательные вещества. Такие чашки используются для получения штаммов бактерий. Однако, редкая среда по обыкновению используется для измерения скорости роста или получение определенных объемов клеток. Иногда используются отборочные среды, (среды с добавлением антибиотику) для выделения и идентификации отдельных штаммов бактерий.

Большинство лабораторных методов роста используют высокие уровне питательных веществ для получения больших количеств клеток. Однако в естественных условиях количество питательных веществ ограниченная, что означает, что бактерии не могут размножаться бесконечно. Это ограничение привело к созданию бактериями разных стратегий роста. Некоторые организмы могут растить чрезвычайно быстро, когда питательные вещества становятся доступными, например, формирование цветение воды (за счет роста клеток цианобактерий), которые часто происходят в озерах летом. Много организмов адаптируются к бедным и агрессивным окружениям, например, путем производства антибиотиков представителями рода Streptomyces и другими, тем самым не давая роста конкурирующим микроорганизмам. Часто бактерии сотрудничают, формируя биопленки и меняя скорость роста благодаря ощущению кворума. Эти взаимоотношения могут быть существенными для роста всей группы организмов (синтрофия).

Рост бактерий обычно включает три фазы. Когда популяция бактерий попадается к богатому на питательные вещества окружению, которое позволяет рост, клеткам нужен определенное время, чтобы приспособиться к новому окружению. Первая фаза роста, фаза медленного роста , является фазой такого приспособления. Эта фаза характеризуется высокой скоростью биосинтеза ферментов и активного транспорта. За ней следует фаза экспоненциального роста, который характеризуется быстрому экспоненциальным ростом количества бактерий. Скоростью роста полагает время удвоения бактерий на протяжении этой фазы. Последняя фаза роста — стационарная фаза, которая вызвана истощением питательных веществ. Клетки сокращают свою метаболическую деятельность и потребляют несущественные клеточные белки. Стационарная фаза — это переход от быстрого роста к стрессовому состоянию, которое характеризуется увеличением экспрессии генов, которые принимают участие в ремонте ДНК и антиоксидантном метаболизме.

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

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

Размножение бактерий

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

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

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

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

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

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

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

Абсолютная скорость роста определяется отношением:

V = dx/dt , (1.1)

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

х - биомасса или число клеток;

t - время.

Удельная скорость роста определяется по формуле:

µ = (dx/dt) ? 1/х , (1.2)

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

х - начальная биомасса.

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

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

N = N 0 ?2 n , (1.3)

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

n - число поколений, или генераций.

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

Скорость размножения одной клетки, или период генерации:

g = t/n , (1.4)

где t - время;

n - число поколений;

g - период генерации.

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

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

Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:

Х = Х 0 ? е μ max ? t , (1.6)

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

t - время опыта;

е - основание натурального логарифма;

μ max - максимальная удельная скорость роста.

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

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

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

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

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

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

μ = μ max ? S/(S + K S) , (1.7)

где μ - удельная скорость роста;

μ max - максимальная удельная скорость роста;

S - концентрация субстрата;

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

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

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

где Р - концентрация продуктов обмена;

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

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

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

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

Рост и размножение бактерий

Рост бактерий происходит в результате множества взаимосвязанных биохимических реакций, осуществляющих синтез клеточного материала, что приводит к увеличению количества всех химических компонентов. У бактерий различают индивидуальный рост бактериальной клетки и рост бактерий в популяции.

Индивидуальный рост бактерий . О нем судят по увеличению размеров отдельных особей. Скорость роста зависит от внешних условий и физиологического состояния самой клетки. При постоянных условиях рост осуществляется с постоянной скоростью. Палочковидные бактерии растут преимущественно в направлении длинной оси, поэтому соотношение между поверхностью клетки и ее объемом при росте клеток существенно не изменяется, и это создает постоянные условия снабжения каждой части клетки питательными веществами и кислородом. Кокки растут равномерно во всех направлениях, увеличивая размеры радиуса клетки, при этом относительная величина поверхности клетки падает, поэтому условия снабжения каждой части клетки становятся все более неблагоприятными. В промежутках между клеточными делениями бактерии имеют большие размеры, чем сразу после деления.

Размножение бактерий. Наиболее часто бактерии размножаются путем бинарного деления, когда из одной клетки образуется две, каждая из которых вновь делится. Процессу деления всегда предшествует репликация ДНК. Существует два типа деления – деление перетяжкой (перешнуровывание) и с помощью поперечной перегородки (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Деление бактерий

А - деление перетяжкой; Б - деление поперечной перегородкой; КС – клеточная стенка; ЦМ – цитоплазматическая мембрана; Н – нуклеоид; П – перетяжка

Деление перетяжкой (констрикция) сопровождается сужением клетки в месте ее деления, и в этом процессе принимают участие все слои клеточных оболочек. Выпячивание оболочек с обеих сторон внутрь клетки все более ее сужает и, наконец, делит на две. Так делятся многие грамотрицательным бактериям.

Деление с образованием поперечной перегородки присуще грамположительным бактериям. Однако у некоторых групп бактерий отмечена смена способов деления (тионовые бактерии, микобактерии). У шаровидных бактерий может образовываться несколько поперечных перегородок (тетракокки, сарцины).

Период от деления до деления называется клеточным циклом (онтогенез бактерий). Различают несколько типов вегетативного клеточного цикла: мономорфный – образуется только один морфологический тип клеток (например, бациллы), диморфный – два морфологических типа, полиморфный – несколько, каждый из которых характеризуется определенными и постоянными особенностями клеточного цикла (например, актиномицеты). При диморфном и полиморфном циклах различают дочерние и материнские клетки.

Почкование убактерий является разновидностью бинарного деления. Этот способ размножения присущ бактериям, имеющим диморфные или полиморфные клеточные циклы. Почкующимся бактериям присуща полярность клеток. Некоторые бактерии размножаются с помощью экзоспор (но не эндоспор!), фрагментами гиф (актиномицеты). Есть бактерии, у которых имеются половые ворсинки, или F-пили (англ. fertility –фертильность, плодовитость), обусловленные наличием полового фактора.

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

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

Периодическое (стационарное) культивирование . Это культивирование происходит без притока и оттока питательной среды. Оно характеризуется классической кривой роста микроорганизмов, в которой выделяют отдельные фазы роста бактериальной популяции, отражающие общую закономерность роста и размножения клеток (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 – Кривая роста и развития бактериальной популяции

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

Абсолютная скорость роста определяется отношением:

V = dx/dt, (1.1)

где V – прирост биомассы или числа клеток;.

х – биомасса или число клеток,

t – время.

Удельная скорость роста определяется по формуле:

µ = (dx/dt) ∙ 1/х, (1.2)

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

х – начальная биомасса.

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

Логарифмическая , или экспоненциальная , или лог-фаза , характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:

Х = Х о ∙ е μ max ∙ t , (1.3)

где Хи Х о - количество клеток (или биомасса) в конце и в начале опыта;

t– время опыта;

е– основание натурального логарифма;

μ max – максимальная удельная скорость роста.

В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды. В этой фазе μ = max.Эта фаза многостадийна, так как в начале ее бактерии растут в среде с избытком субстрата, затем концентрация его понижается, изменяется активность ферментов, возрастает содержание клеточных метаболитов. Кроме того, на рост бактерий оказывают влияние многие факторы: видовые особенности бактерий, характер питательной среды и концентрация ее отдельных компонентов, температура культивирования.

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

Стационарная фаза характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Факторы, лимитирующие рост бактерий в предыдущей фазе, являются причиной возникновения стационарной фазы. Прироста биомассы нет (μ = 0).В этой фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток. Эти максимальные величины называются урожаем , или выходом . Одним из ограничивающих факторов является максимальная концентрация клеток в единице объема питательной среды. У разных видов бактерий эта величина значительно варьирует. В стационарной фазе клетки характеризуются несбалансированным ростом (клеточные компоненты синтезируются с различной скоростью), уменьшением интенсивности обменных процессов, более высокой устойчивостью к физическим и химическим воздействиям.

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

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

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

μ = μ max ∙ S/(S + K S), (1.4)

где μ – удельная скорость роста;

μ max - максимальная удельная скорость роста;

S – концентрация субстрата;

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

μ = μ max ∙ S/(S + K S) ∙ К Р / (К Р / + Р), (1.5)

где Р – концентрация продуктов обмена;

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

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

Хемостаты . Рост бактерий регулируется концентрацией субстрата. Поддерживая постоянную концентрацию одного из необходимых субстратов (источник азота или углерода), путем регулирования скорости протока среды, можно сбалансировать скорость роста культуры. Скорость изменения величины биомассы клеток в хемостате равна разности между скоростью прироста биомассы и скоростью выноса ее из культиватора. Плотность популяции остается постоянной, если μ=D (удельная скорость роста равна коэффициенту разбавления), т.е. потеря клеток в результате вымывания и прирост их в результате размножения уравновешивается.

Турбидостаты .Принцип работы основан на регулировании скорости потока среды плотностью популяции. Плотность популяции контролируется фотоэлементом, соединенным с реле, регулирующим подачу среды. Когда плотность популяции достигает заданного уровня, реле срабатывает и в культиватор поступает свежая среде. В результате концентрация клеток уменьшается до определенного уровня и затем автоматически отключается подача среды.

Турбидостатный контроль может быть основан на других метолах определения биомассы, либо продуктов, образующихся в процессе роста бактерий (например, рН-статный способ управления скорости потока, использование оксистата– управление скоростью потока по скорости потребления кислорода и др.).

Непрерывное культивирование микроорганизмов используется для изучения их физиологии, биохимии, генетики и др., а также широко используется в микробиологической промышленности.

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

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

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

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

Основные понятия

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

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

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

Жизненный цикл бактериальной клетки

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

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

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

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

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

Влажность как необходимое условие жизнедеятельности микроорганизмов

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

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

Влияние кислотности среды на жизнеспособность бактерий

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

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

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

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

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

Что происходит с микроорганизмами во время бактерицидной фазы?

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

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

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

Чего боятся мезофилы?

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

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

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

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

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

вегетативную;
споровую.

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

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

Для ботулизма свойственны следующие первые признаки:

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

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

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

Как бактерии размножаются в еде?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как добиться сохранения численности популяции микроорганизмов в аквариуме

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

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

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

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

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

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

Tetra.
Dennerle.
Sera.
Aqua Medic.

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

Термин «рост» означает увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или группы бактерий в результате синтеза клеточного материала (например, белка, РНК, ДНК). Достигнув определенных размеров, клетка прекращает рост и начинает размножаться.

Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Иначе можно сказать: размножение — это повышение числа особей микробной популяции.

Бактерии размножаются преимущественно простым поперечным делением (вегетативное размножение), которое происходит в различных плоскостях, с образованием многообразных сочетаний клеток (кисть винограда — стафилококки, цепочки — стрептококки, соединения по парам — диплококки, тюки, пакеты — сарцины и др.). Процесс деления состоит из ряда последовательных этапов. Первый этап начинается формированием в средней части клетки поперечной перегородки (рис. 6), состоящей вначале из цитоплазматической мембраны, которая делит цитоплазму материнской клетки на две дочерние. Параллельно с этим синтезируется клеточная стенка, образующая полноценную перегородку между двумя дочерними. В процессе деления бактерий важным условием является репликация (удвоение) ДНК, которая осуществляется ферментами ДНК-полимеразами. При удвоении ДНК происходит разрыв водородных связей и образование двух спиралей ДНК, каждая из которых находится в дочерних клетках. Далее дочерние односпиральные ДНК восстанавливают водородные связи и вновь образуют двуспиральные ДНК.

Репликация ДНК и деление клеток происходит с определенной скоростью, присущей каждому виду микроба, что зависит от возраста культуры и характера питательной среды. Например, скорость роста кишечной палочки колеблется от 16 до 20 мин; у микобактерий туберкулеза деление наступает лишь через 18—20 ч; для клетки культуры тканей млекопитающих требуются сутки. Следовательно, бактерии большинства видов размножаются почти в 100 раз быстрее, чем клетки культуры тканей.

Типы деления клеток бактерий. 1. Клеточное деление опережает разделение, что приводит к образованию «многоклеточных» палочек и кокков. 2. Синхронное клеточное деление, при котором разделение и деление нуклеоида сопровождаются образованием одноклеточных организмов. 3. Деление нуклеоида опережает клеточное деление, обусловливая образование многонуклеоидных бактерий.

Разделение бактерий, в свою очередь, происходит тремя способами: 1) разламывающее разделение, когда две индивидуальные клетки, неоднократно переламываясь в месте сочленения, разрывают цитоплазматический мостик и отталкиваются друг от друга, при этом образуются цепочки (сибиреязвенные бациллы); 2) скользящее разделение, при котором после деления клетки обособляются и одна из них скользит по поверхности другой (отдельные формы эшерихий); 3) секущее разделение, когда одна из разделившихся клеток свободным концом описывают дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, л истерии).

Фазы развития бактериальной популяции. Теоретически допускается, что если бактериям создать условия непрерывного притока и прогрессивного увеличения массы свежей питательной среды и оттока продуктов выделения, то размножение будет возрастать логарифмически, а гибель арифметически.

Общую закономерность роста и размножения бактериальной популяции принято показывать графически в виде кривой, которая отражает зависимость логарифма числа живых клеток от времени. Типичная кривая роста имеет S-образную форму и позволяет различать несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности:

1. Исходная (стационарная, латентная, или фаза покоя). Представляет собой время от момента посева бактерий на питательную среду до их роста. В этой фазе число живых бактерий не увеличивается, а может даже уменьшаться. Продолжительность исходной фазы 1—2 ч.

2. Фаза задержки размножения. В течение этой фазы бактериальные клетки интенсивно растут, но слабо размножаются. Период этой фазы занимает около 2 ч и зависит от ряда условий: возраста культуры (молодые культуры приспосабливаются быстрее, чем старые); биологических особенностей микробных клеток (для бактерии кишечной группы характерен короткий период приспособления, для микобактерий туберкулеза — длительный); полноценности питательной среды, температуры выращивания, концентрации СО2, рН, степени аэрации среды, оксилительно-восстановительного потенциала и др. Нередко обе фазы объединяют термином «лаг-фаза» (англ. lag — отставание, запаздывание).

3. Логарифмическая фаза. В этой фазе скорость размножения клеток и увеличение бактериальной популяции максимальны. Период генерации (лат. generatio — рождение, воспроизведение), т. е. время, прошедшее между двумя последовательными делениями бактерий, в этой стадии будет постоянным для данного вида, а количество бактерий станет удваиваться в геометрической прогрессии. Это означает, что в конце первой генерации из одной клетки формируются две, в конце второй генерации обе бактерии, разделяясь, образуют четыре, из полученных четырех формируются восемь и т. д. Следовательно, после n генераций количество клеток в культуре будет равно 2n. Длительность логарифмической фазы составляет 5—6 ч.

4. Фаза отрицательного ускорения. Скорость размножения бактерий перестает быть максимальной, число делящихся особей уменьшается, а число погибших увеличивается (длительность около 2 ч). Одна из возможных причин, замедляющих размножение бактерий, — истощение питательной среды, т. е. исчезновение из нее веществ, специфических для данного бактериального вида.

5. Стационарная фаза максимума. В ней число новых бактерий почти равно числу отмерших, т. е. наступает равновесие между погибшими клетками и вновь образующимися. Продолжается эта фаза 2 ч.

6. Фаза ускорения гибели. Характеризуется прогрессивным превосходством числа погибших клеток над количеством вновь нарождающихся. Длится она около 3 ч.

7. Фаза логарифмической гибели. Отмирание клеток происходит с постоянной скоростью (длительность около 5 ч).

8. Фаза уменьшения скорости отмирания. Остающиеся в живых клетки переходят в состояние покоя.