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.

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), (1.4)

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 .

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), (1.5)

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.

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.

Различают рост индивидуальных бактериальных клеток и рост популяции бактерий.

У сферических клеток рост происходит во всех направлениях. Рост палочковидных бактерий происходит в длину.

1 Емцев В. Т. Микробиология: учебник для бакалавров. 8-е изд., испр. и доп. М.: Издательство Юрайт, 2017 (В. Т. Емцев, В. И. Дуда и Ш. И. Шелли).

Под ростом популяций подразумевается накопление определенной биомассы клеток. Как только клетка достигает определенного генетикой размера, она перестает расти и начинает размножаться. Размножение бактерий происходит бесполым путем, обычно бинарно (т.е. делением клетки пополам, в основном посередине). Процесс деления начинается с воспроизведения (репликации) нуклеоида, содержащего генетическую информацию. В результате репликации ДНК удваивается, и образующиеся в результате удвоения хромосомы распределяются в образующиеся дочерние клетки. Существуют специальные комплексы белков, которые растаскивают хромосомы в формирующиеся клетки. Между отделившимися хромосомами начинает формироваться межклеточная перегородка, которая образуется путем врастания навстречу друг другу цитоплазматической мембраны и связанной с ней клеточной стенки.

Таким образом родительская клетка разделяется на две клетки, которые отделяются друг от друга. У некоторых бактерий полного отделения не происходит и образуются пары или цепочки клеток. Палочковидные бактерии в процессе деления сначала удлиняются в два раза, а затем разделяются на две клетки (рис. 2.28). Почкование, имеющее место у некоторых бактерий, представляет собой разновидность деления.

Рис. 2.28.

а - шарообразных; б - палочковидных

Скорость размножения бактерий оценивают по времени, которое необходимо для процесса деления, этот промежуток времени называют временем генерации. Время генерации зависит от множества факторов: вида микроорганизма, состава, температуры, pH питательной среды и др. При благоприятных условиях время удвоения для многих бактерий очень небольшое, например у E.coli оно составляет около 20 мин. Но есть бактерии, которые делятся несколько часов, например у Mycobacterium tuberculosis (это возбудитель туберкулеза) этот период составляет 24 ч. Если бы размножение проходило спонтанно без ограничения сдерживающими факторами, то потомство одной клетки через двое суток превысило бы массу земного шара (рис. 2.29).

Множество факторов ограничивает размножение микроорганизмов, и развитие всего живого происходит по разумным законам природы. Деление клетки находится под строгим генетическим контролем. Размножение бактериальных клеток приводит к образованию колонии (рис. 2.30).

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, как и других живых существ, находятся в тесной зависимости от среды их обитания. Развитие популяции бактерий может происходить в естественной среде (в почве, воде, пищевых и непищевых продуктах) и при искусственном культивировании (выращивании). Развитие микроорганизмов, в том числе и бактерий, в свою очередь меняет окружающую среду: из нее микроорганизмы берут питательные вещества и в нее выделяют продукты своей жизнедеятельности.

Рис. 2.29.

Рис. 2.30.

В искусственных условиях для выращивания бактерий применяют различные питательные среды, содержащие все необходимые для их жизнедеятельности вещества. Питательные среды должны в достаточном количестве содержать источники углерода, азота, соли, витамины; кислотность среды должна быть оптимальной для роста этого вида бактерий; должна быть соответствующая достаточная влажность и др.

Популяция бактерий - эго саморегулирующаяся система, но развитие ее зависит от состояния окружающей среды. Ухудшение условий обитания приводит к ослаблению и гибели популяции. На этой заключительной стадии развития колонии бактерий обнаружено интереснейшее явление, его назвали апоптоз (от греч. apoptosis - опадание листьев или лепестков). Полагают, что существует форма запрограммированной гибели у эукариот. Апоптоз у бактерий - пример запрограммированного контроля над клетками на уровне популяции. Происходит следующее: с истощением среды (уменьшением питательных веществ в субстрате) голодающая популяция разделяется на две части, одна погибает, эти клетки автолизируются (само- растворяются), а клетки другой части популяции используют продукты автолиза для своего дальнейшего развития. Таким образом популяция регулирует формирование колонии и поведение клеток в стационарных культурах. Существуют способы определения количественного выражения каждой из этих стадий.

Для микроорганизмов, как и для других живых существ, характерны рост и размножение. Под ростом клетки подразумевают согласованное увеличение количества всех химических компонентов (например, белка, РНК, ДНК), ведущее, в конечном счете, к возрастанию размеров и массы клетки. Рост микробной клетки не безграничен, достигнув определенной величины, клетка прекращает рост и начинает размножаться.

Размножение - это увеличение числа клеток микроорганизмов в Популяции. Микроорганизмы размножаются или путем поперечного деления, происходящего в процессе роста, или почкованием (которое встречается исключительно редко), или путем образования спор.

Прокариоты обычно размножаются бесполым путем - бинарным делением. В начале деления клетка удлиняется, затем делится нуклеоид. Воспроизведение нуклеоида, содержащего всю генетическую информацию, необходимую для жизнедеятельности микроорганизма,- наиболее важный из всех процессов, которые происходят при росте клетки.

Нуклеоид представлен суперспирализованной и весьма плотно уложенной молекулой ДНК, которая является самореплицирующейся структурой и известна под названием репликона. К репликонам относятся также плазмиды - генетические структуры, способные к самостоятельной репликации. Репликация ДНК осуществляется ферментами ДНК-полимеразами. Этот процесс начинается в определенной точке ДНК и происходит одновременно в двух противоположных направлениях. Закапчивается репликация также в определенном месте ДНК - В результате репликации число молекул ДНК в клетке удваивается. Вновь синтезированные молекулы ДНК постепенно расходятся в образующиеся дочерние клетки. Все это позволяет дочерней клетке иметь совершенно тождественную материнской клетке по последовательности нуклеотидов молекулу ДНК - Считают, что репликация ДИК, занимает почти 80% времени, в течение которого осуществляется деление бактериальной клетки.

После завершения репликации ДНК начинается сложный комплекс процессов, которые ведут к образованию межклеточной перегородки. Вначале с обеих сторон клетки происходит врастание двух слоев цитоплазматической мембраны, а затем между ними синтезируется пептидогликан и образуется перегородка, состоящая из двух слоев цитоплазматической мембраны и пептидогликана.

Во время репликации ДНК и образования делящей перегородки клетка микроорганизма непрерывно растет. В этот период происходят синтез пептидогликана клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, образование новых рибосом и других органелл и соединений, которые входят в состав цитоплазмы. На последней стадии деления дочерние клетки отделяются друг от друга. Процесс деления у некоторых бактерий идет не до конца, в результате образуются цепочки клеток.

При делении палочковидных бактерий клетки вначале растут в длину (диаметр клетки не меняется). Когда длина бактерии удваивается, палочка несколько сужается в середине и затем распадается на две клетки. Чаще всего клетка делится на две равные части (изоморфное деление), однако встречается и неравномерное (гетероморфное) деление, когда дочерняя клетка больше материнской.

На рисунке 25 показано деление бактерии со жгутиками. Только у материнской клетки остаются жгутики. Дочерняя клетка не имеет жгутиков: они вырастают позднее. При многочисленных исследованиях жгутики обычно находили только у одной клетки из недавно разделенной пары. Можно полагать, что материнская клетка сохраняет главную часть первоначальной клеточной стенки, фибрии и жгутики.

Спирохеты, риккетсии, некоторые дрожжи и грибы, простейшие и другие организмы размножаются поперечным делением клеток.

Миксобактерии делятся перетяжкой. Сначала клетка в месте деления слегка суживается, далее клеточная стенка, постепенно впячиваясь с обеих сторон внутрь клетки, все больше и больше сужает ее и, наконец, делит на две. Дочерняя клетка, одетая уже собственной цитоплазматической мембраной, еще временно сохраняет общую клеточную стенку.

У бактерий иногда наблюдается «половой» процесс, или конъюгация (см. главу 4).

В результате роста и размножения клетки микроорганизма образуется колония микробов - потомков.

Микроорганизмы отличаются высоким темпом размножения, выражающимся временем генерации, то есть временем, в течение которого происходит деление клетки. Время генерации определяется видом микроорганизма, его возрастом и внешними условиями (составом питательной среды, температурой, pH и другими факторами).

При благоприятных условиях время генерации многих микроорганизмов колеблется от 20 до 30 мин. При такой скорости роста можно получить 6 генераций за 2 ч (для получения стольких же поколений у человека требуется 120 лет). Благодаря способности бактерий к быстрому размножению, в природе наблюдается их численный перевес над другими живыми организмами. Однако бактерии не могут очень долго продолжать расти с периодом генерации 20 мин. Если бы такой рост был возможен, то одна - единственная клетка кишечной палочки (Escherichia coli) через 24 ч образовала бы 272, или около 1022 потомков, общая масса которых составила бы несколько десятков тысяч тонн, а еще через 24 ч роста этой бактерии масса ее потомков превысила бы в несколько раз массу земного шара. Недостаток пищи, и накопление продуктов распада ограничивают такое бурное размножение бактерий. В проточной среде бактерии могут делиться через каждые 15-18 мин.

Наблюдения за ростом микроорганизмов, культивируемых на жидкой среде в замкнутых резервуарах, показывают, что скорость, их роста изменяется во времени. Внесенные в питательную среду микроорганизмы вначале не развиваются, они «привыкают» к условиям среды. Затем начинается их размножение с все возрастающей скоростью, достигающей максимума, на который они способны в данной среде. По мере исчерпания питательных веществ и накопления продуктов обмена рост замедляется, а затем полностью прекращается. Цикл развития бактерий состоит из нескольких фаз (рис. 26).

I. Исходная (стационарная) фаза начинается после внесения, микроорганизмов в питательную среду и продолжается от 1 до 2 ч. Во время этой фазы количество бактерий не увеличивается, и клетки не растут.

II. Лаг - фаза - период задержки размножения. В это время бактерии, внесенные в свежую питательную среду, начинают интенсивно расти, но скорость их деления остается невысокой.

Две первые фазы развития бактериальной популяции называют периодом приспособления к новой среде. К концу лаг – фазы клетки часто увеличивают свой объем. Длительность лаг – фазы зависит как от внешних условий, так и от возраста бактерий и их видовой специфичности.

III. Фаза интенсивного логарифмического, или экспоненциального, размножения. В этот период размножение бактерий идет с наибольшей скоростью, и число клеток увеличивается в геометрической прогрессии.

IV. В фазе отрицательного ускорения клетки бактерий становятся менее активными, и период генерации начинает удлиняться. Одна из причин, замедляющих размножение бактерий,- истощение питательной среды и накопление в ней ядовитых (токсических) продуктов обмена. Это замедляет ритм размножения. Некоторые клетки перестают размножаться и погибают.

V. Стационарная фаза - период, когда число вновь возникающих клеток примерно равно числу отмирающих. Поэтому количество живых клеток некоторое время остается практически неизменным. Однако при этом общая численность живых и мертвых бактерий несколько увеличивается, хотя и не так быстро. Эта фаза иногда называется «максимальной стационарной», так как при ней численность клеток в среде достигает максимума.

VI-VIII. Фазы отмирания характеризуются тем, что отмирание клеток преобладает над размножением. Во время прохождения VI фазы увеличивается число отмерших клеток. На смену этой фазе приходит VII - логарифмической гибели клеток, когда они отмирают с постоянной скоростью. Наконец, наступает VIII фаза, в которой скорость отмирания клеток бактерий постепенно уменьшается. Отмирание клеток бактериальной популяции в последние три фазы связано с изменением физико - химических свойств питательной среды в неблагоприятную для бактерий сторону и с другими причинами. Ритм гибели клеток в эти фазы становится быстрым, и число живых клеток все более снижается, до тех пор, пока они почти полностью не отмирают.

При описанном выше культивировании в замкнутом резервуаре микроорганизмы все время находятся в меняющихся условиях, это так называемая непроточная культура микроорганизмов. Сначала они имеют в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает недостаток в питании и отравление продуктами обмена. Все это приводит к снижению скорости роста, в результате чего культура переходит в стационарную фазу. Однако если добавлять в среду питательные вещества и одновременно удалять продукты обмена, то микроорганизмы могли бы пребывать в течение неопределенного времени в экспоненциальной фазе роста. Такой способ положен в основу проточного культивирования микроорганизмов, осуществляемого в хемостатах и турбидостатах с помощью специальных устройств для непрерывной подачи среды с регулируемой скоростью и для хорошего ее перемешивания.

Следовательно, в отличие от непроточной при проточной культуре для микроорганизмов создаются неизменные условия. Поэтому можно поддерживать непрерывный и постоянный прирост клеток при любой скорости роста культуры. Проточное культивирование микроорганизмов поддается автоматическому регулированию, оно весьма перспективно и широко внедряется в промышленность и лабораторную практику.

В физиологических исследованиях микроорганизмов важным является получение так называемых синхронных культур. Синхронной культурой называют бактериальную культуру (или популяцию), в которой все клетки находятся на одинаковой стадии клеточного цикла. Синхронные культуры обычно используют для изучения отдельных бактерий в процессе их роста.

Рост бактерий - это увеличение количества, массы и размеров всех микробной клетки, начинающийся сразу после ее деления. Рост неразрывно связан с размножением.

Размножение у бактерий – процесссамовоспроизведения микробной клетки. Он начинается сразделения ДНК нуклеоида на две дочерние нити, каждая из которых затем достраивается комплементарной нитью, при этом одновременно происходит образование двух дочерних клеток (полуконсервативный способ). Бактерии размножаются поперечным делением срезким увеличением количества клеток в популяции, процесс повторяется через одинаковые промежутки времени (от нескольких минут до нескольких суток), являясь индивидуальной генетической характеристикой микробного вида. При делении могут образовываться либо две одинаковые клетки, либо две асимметричные (полиморфные).

Бактерии отличаются высоким темпом размножения на различных питательных средах, который характеризуется временем генерации. Это время между двумя делениями клетки, проходящее от момента появления клетки до момента деления (например, время генерации кишечной палочки - 20 мин, возбудителя туберкулеза - 14 час). Скорость размножения зависит от вида бактерий и условий культивирования (химического состава питательной среды, её агрегатного состояния, рН, температуры, аэрации, газового состава, наличия питательных веществ и стимуляторов роста и т. д.). При размножении бактерий на плотных питательных средах, они образуют колонии - потомство одной клетки, визуально определяемое на (или в) питательной среде. Изолированные колонии являются скоплениями микробов одного вида, и, как правило, одного клона.

Внешний вид колоний у некоторых бактерий может быть весьма своеобразным, являясь типичным для некоторых микроорганизмов. Так, например, колонии возбудителя сибирской язвы сравнивают с «гривой льва» или «головой медузы», колонии возбудителя чумы похожи на «кружевной платок» и т.д.

Для характеристики колоний, растущих на питательных средах, применяется ряд стандартных параметров - макроскопическая характеристика.

По форме колонии бывают правильные - округлые, или неправильные - амебовидные и ризоидные, напоминающие переплетающиеся корни деревьев. В зависимости от размеров выделяют колонии точечные (диаметр меньше 1 мм), мелкие (диаметр I - 2 мм), средние (диаметр 2 - 4 мм) и крупные (диаметр 4 - 6 мм и более).

Цвет определяется видом пигмента (белый, желтый, красный и др. – рис 25 - приложение). Пигментированные колонии, например, встречаются у стафилокока (белый, лимонно-жёлтый или золотистый), у сарцин цвет пигмента жёлтый, у бактерий рода Serratia красный, у дрожжеподобных грибов Candida albicans белый. Многие патогенные бактерии пигмента не образуют - их колонии прозрачные или опалесцирующие.

По консистенции колонии бактерий чаще бывают мягкие, слизистые или плотные, крошковидные. По характерукраев различают ровные края в виде четко выраженной линии и неровные - фестончатые и волнистые. Поверхность колоний бывает матовая или блестящая с глянцем, сухая или влажная, гладкая или шероховатая. Гладкие колонии обозначают буквой S (smooth - гладкие), шероховатые буквой R (rough - шероховатый).

При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается последовательная смена отдельных фаз в размножении бактериальной популяции(рис. 9):

1. Начальная фаза (лаг-фаза). Размножения клеток не происходит; микробы адаптируются к питательной среде, увеличиваются в размерах, накапливают ферменты, начинается репликация ДНК. В конце фазы начинается медленное размножение микробов.

2. Экспоненциальная фаза (лог-фаза) характеризуется максимальной скоростью размножения, при этом число бактерий увеличивается в геометрической прогрессии.

3. Стационарная фаза, при которой наблюдается равновесие между количеством вновь образовавшихся клеток и количеством погибших.

4. Фаза отмирания. В эту фазу происходит гибель клеток.

Величину биомассы определяют по ее сухой массе, а также содержанию бактериального азота, белка, ДНК, фосфора.

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.