ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ - В. М. Самыгин - 2015

ГЛАВА 9. РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРОБОВ

Живые организмы отличаются от неживой природы главным образом тем, что растут и размножаются. Различают рост клеток и рост популяции. Рост клеток - это процесс увеличения размеров, объема, массы каждой отдельной особи. Рост начинается после деления Клетки, которая быстро достигает стадии зрелости, а затем приступает к размножению или переходит в стадию покоя. Рост популяции - увеличение количества живого вещества (биомассы), обусловленное увеличением массы и количества клеток в единице объема питательной среды. Под размножением микроорганизмов понимают процесс самовоспроизведения, обеспечивающий сохранение вида. Способы размножения у микробов разнообразны: почкование, спорообразование, половой процесс, но у большинства бактерий - бинарное деление, т. е. бесполое деление с образованием двух дочерних клеток.

Рост зависит, прежде всего, от температуры и pH среды, доступности питательных веществ и концентрации ионов. Облигатным аэробам обязателен еще и кислород, а облигатным анаэробам, наоборот, нужно, чтобы его совсем не было. Рост бактериальной клетки не безграничен. Достигнув определенной величины, бактериальная Клетка перестает расти и переходит к бинарному делению. У самых быстрорастущих бактерий (например, кишечной палочки, холерного вибриона) деление происходит через каждые 20 минут. Клетки, возникающие из материнской, представляют новое поколение (новую генерацию), а интервал между делениями называется временем генерации. При времени генерации 20 минут из одной микробной клетки через 36 часов можно при благоприятных условиях получить микробную массу около 400 тонн, а через 48 часов ее потомство весило бы 2,2 • 10³¹ г, что приблизительно в 4 тысячи

раз больше веса Земли. Однако, как в естественных, так и в искусственных условиях РАЗМНОЖЕНИЕ бактерий ограничено действием ряда факторов внешней среды.

Размножение бактерий происходит по определенным закономерностям. Еще в 1942 году ученый из Пастеровского института в Париже Ж. Моно графически изобразил размножение бактерий при помощи «кривой роста», показывающей изменение численности микробов за определенное время. Типичная кривая роста микроорганизмов приведена на рис. 9.

Class="center">Рис. 9. Кривая роста микроорганизмов при периодическом культивировании: I - лаг-фаза: II - фаза ускорения роста: III - фаза экспоненциального роста: IV - фаза замедления роста: V -стационарная фаза: VI - фаза отмирания культуры

При посеве бактерий в свежую питательную среду они приспосабливаются к новым условиям и первое время не размножаются; этот период называют лаг-фазой (I) (lag -запаздывание). Длительность лаг-фазы составляет в среднем 4-6 ч и зависит от внешних условий, видовой специфичности и физиологического состояния

засеваемой культуры. На протяжении лаг-фазы и фазы ускорения роста (II) происходит выработка соответствующих ферментов и значительное увеличение количества РНК.

Затем следует фаза быстрого размножения (III) с логарифмической зависимостью числа клеток от времени выращивания, что выражается экспоненциальной кривой. В связи с этим описанная часть кривой роста называется логарифмической, экспоненциальной или лог-фазой. В этой фазе клетки делятся с максимальной постоянной скоростью, обладают наибольшей биохимической и биологической активностью. Скорость размножения клеток во время экспоненциальной фазы зависит от вида бактерий, а также от используемой питательной среды. Энтеробактерии делятся через каждые 15-30 мин, у многих почвенных видов она достигает 60- 150 мин, а у Nitrobacter - даже 5-10 ч. В экспоненциальной фазе величина клеток и содержание в них белка у многих бактерий тоже остаются постоянными, т. е. бактериальная культура состоит из «стандартных клеток». Поскольку в экспоненциальной фазе скорость деления клеток относительно постоянна, эта фаза наиболее удобна для Structure/97.html">Определения пригодности различных субстратов, изучения скорости роста и влияния физико-химических факторов окружающей среды (pH, окислительно-восстановительного потенциала, температуры, аэрации и т. д.). В экспоненциальной фазе синтезируются биотехнологически ценные продукты (Ферменты, ВИТАМИНЫ, Нуклеотиды) - это так называемые первичные метаболиты бактериальной клетки.

Постепенно питательные вещества из среды исчезают, а среда обогащается продуктами выделения бактерий, тормозящими процесс размножения (IV - фаза замедления роста), после чего Бактерии вступают в стационарную фазу (V), в которой наступает равновесие между количеством клеток, находящихся в состоянии покоя, погибающих, активных и вновь образующихся. В конце логарифмической и начале стационарной фазы роста синтезируются вторичные метаболиты бактериальной клетки - Антибиотики, токсины, пигменты и др.

Скорость роста зависит от концентрации субстрата - при уменьшении этой концентрации, еще до полного использования субстрата, она начинает снижаться. Поэтому переход от экспоненциальной фазы к стационарной происходит постепенно. Скорость роста может снижаться не только из-за нехватки субстрата, но также из-за большой плотности бактериальной популяции, из-за низкого парциального давления кислорода или накопления токсичных продуктов обмена; все эти факторы вызывают переход к стационарной фазе.

В ранней стационарной фазе размер бактериальной клетки достигает минимума. В поздней стационарной фазе (а также в фазе отмирания) часто наблюдаются искривленные или разбухшие клетки, называемые «инволюционными формами». Это связано либо с повреждениями клеток ферментами клеточных стенок или плазматических мембран, либо слабой регуляцией синтеза клеточных компонентов. У грамположительных бактерий в стационарной фазе обычно наблюдается потеря способности клеток окрашиваться по Граму. Сопротивляемость бактерий физическим и химическим стрессам (влиянию гипотонической среды, внезапной смене температур) в стационарной фазе выше, чем в логарифмической. Для некоторых бактерий в стационарной фазе характерно образование эндо- или экзоспор.

Количество жизнеспособных бактерий, находящихся в популяции в стационарной фазе, обозначают как максимальную концентрацию и выражают символом М-концентрация. Эта величина - максимальная концентрация жизнеспособных клеток в единице объема питательной среды. То есть М-концентрация является показателем, характерным для данного вида бактерий в определенных условиях их существования, изменение которых приводит к изменению величины М-концентрации.

Следующая фаза - фаза отмирания (гибели) (VI). Клетки перестают делиться, гибнут и распадаются. Количество живых клеток резко уменьшается. Их гибель является результатом действия ряда факторов, одним из которых является исчерпание запасов энергии в клетке.