В чем заключается особенность роста и размножения бактериальных клеток. Какие факторы способствуют росту и развитию бактерий в различных средах

Размножение бактерий путем деления — самый распространенный метод увеличения численности микробной популяции. После деления происходит рост бактерий до исходного размера, для чего необходимы определенные вещества (факторы роста).

Способы размножения бактерий различны, но для большинства их видов присуща форма бесполового размножения способом деления. Способом почкования бактерии размножаются исключительно редко. Половое размножение бактерий присутствует в примитивной форме.

Рис. 1. На фото бактериальная клетка в стадии деления.

Генетический аппарат бактерий

Генетический аппарат бактерий представлен единственной ДНК — хромосомой. ДНК замкнута в кольцо. Хромосома локализована в нуклеотиде, не имеющем мембраны. В бактериальной клетке имеются плазмиды.

Нуклеоид

Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.

Рис. 2. На фото бактериальная клетка на срезе. В центральной части виден нуклеотид.

Плазмиды

Плазмиды представляют собой автономные молекулы свернутые в кольцо двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.

Рис. 3. На фото бактериальная плазмида.

Этапы деления

После достижения определенных размеров, присущих взрослой клетке, запускаются механизмы деления.

Репликация ДНК

Репликация ДНК предшествует клеточному делению. Мезосомы (складки цитоплазматической мембраны) удерживают ДНК до тех пор, пока процесс деления (репликации) не завершится.

Репликация ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимеразами. При репликации водородные связи в 2-х спиральной ДНК разрываются, в результате чего из одной ДНК образуются две дочерние односпиральные. В последующем, когда дочерние ДНК заняли свое место в разделенных дочерних клетках, происходит их восстановление.

Как только репликация ДНК завершилась, в результате синтеза появляется перетяжка, разделяющая клетку пополам. Вначале делению подвергается нуклеотид, затем цитоплазма. Синтез клеточной стенки завершает деление.

Рис. 4. Схема деления бактериальной клетки.

Обмен участками ДНК

У сенной палочки процесс репликации ДНК завершается обменом участками 2-х ДНК.

После деления клетки образуется перемычка, по которой ДНК одной клетки переходит в другую. Далее обе ДНК сплетаются. Некоторые отрезки обоих ДНК слипаются. В местах слипания происходит обмен отрезками ДНК. Одна из ДНК по перемычке уходит обратно в первую клетку.

Рис. 5. Вариант обмена ДНК у сенной палочки.

Типы делений бактериальных клеток

Если клеточное деление опережает процесс разделения, то образуются многоклеточные палочки и кокки.

При синхронном клеточном делении образуются две полноценные дочерние клетки.

Если нуклеотид делится быстрее самой клетки, то образуются многонуклеотидные бактерии.

Способы разделения бактерий

Деление с помощью разламывания

Деление с помощью разламывания характерно для сибиреязвенных бацилл. В результате такого деления клетки переламываются в местах сочленения, разрывая цитоплазматические мостики. Далее отталкиваются друг от друга, образуя цепочки.

Скользящее разделение

При скользящем разделении после деления клетка обосабливается и как бы скользит по поверхности другой клетки. Данный способ разделения характерен для некоторых форм эшерихий.

Секущееся разделение

При секущемся разделении одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).

Рис. 6. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).

Рис. 7. На фото скользящий способ разделения кишечных палочек.

Рис. 8. Секущийся способ разделения коринебактерий.

Вид скоплений бактерий после деления

Скопления делящихся клеток имеют разнообразную форму, которая зависит от направления плоскости деления.

Шаровидные бактерии располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками или как гроздья винограда. Палочковидные бактерии — цепочками.

Спиралевидные бактерии — хаотично.

Рис. 9. На фото микрококки. Они круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.

Рис. 10. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.

Рис. 11. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.

Рис. 12. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка). Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.

Рис. 13. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.

Рис. 14. На фото извитые бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.

Рис. 15. На фото палочковидные бактерии рода Vibrio.

Скорость деления бактерий

Скорость деления бактерий крайне высока. В среднем одна бактериальная клетка делится каждые 20 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства. Микобактерии туберкулеза делятся медленно. Весь процесс деления занимает у них около 14 часов.

Рис. 16. На фото отображен процесс деления клетки стрептококка.

Половое размножение бактерий

В 1946 году учеными было обнаружено половое размножение в примитивной форме. При этом гаметы (мужские и женские половые клетки) не образуются, однако некоторые клетки обмениваются генетическим материалом (генетическая рекомбинация ).

Передача генов осуществляется в результате конъюгации — однонаправленного переноса части генетической информации в виде плазмид при контакте бактериальных клеток.

Плазмиды представляют собой молекулы ДНК небольшого размера. Они не связаны с геномом хромосом и способны удваиваться автономно. В плазмидах содержаться гены, которые повышают устойчивость бактериальных клеток к неблагоприятным условиям внешней среды. Бактерии часто передают эти гены друг другу. Отмечается так же передача генной информации бактериям другого вида.

При отсутствии истинного полового процесса именно конъюгация играет огромную роль при обмене полезными признаками. Так передается способность бактерий проявлять лекарственную устойчивость. Для человечества особо опасным является передача устойчивости к антибиотикам между болезнетворными популяциями.

Рис. 17. На фото момент конъюгации двух кишечных палочек.

Фазы развития бактериальной популяции

При посевах на питательную среду развитие бактериальной популяции проходит несколько фаз.

Исходная фаза

Исходная фаза — это период от момента посева до их роста. В среднем исходная фаза длится 1 — 2 часа.

Фаза задержки размножения

Это фаза интенсивного роста бактерий. Ее длительность составляет около 2-х часов. Она зависит от возраста культуры, периода приспособления, качества питательной среды и др.

Логарифмическая фаза

В эту фазу отмечается пик скорости размножения и увеличения бактериальной популяции. Ее длительность составляет 5 — 6 часов.

Фаза отрицательного ускорения

В эту фазу отмечается спад скорости размножения, уменьшается количество делящихся и увеличивается число погибших бактерий. Причина отрицательного ускорения — истощение питательной среды. Ее длительность составляет около 2-х часов.

Стационарная фаза максимума

В стационарную фазу отмечается равное количество погибших и вновь образованных особей. Ее длительность составляет около 2-х часов.

Фаза ускорения гибели

В эту фазу прогрессивно нарастает количество погибших клеток. Ее длительность составляет около 3-х часов.

Фаза логарифмической гибели

В эту фазу клетки бактерий отмирают с постоянной скоростью. Ее длительность составляет около 5-и часов.

Фаза уменьшения скорости отмирания

В эту фазу оставшиеся живыми клетки бактерий переходят в состояние покоя.

Рис. 18. На рисунке отображена кривая роста бактериальной популяции.

Рис. 19. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета, колонии микрококков желтого цвета, колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета и колонии Bacteroides niger черного цвета.

Рис. 20. На фото колонии бактерий. Каждая колония — потомство одной-единственной клетки. В колонии число клеток исчисляется миллионами. вырастает колония за 1 — 3 суток.

Деление магниточувствительных бактерий

В 1970-х годах были открыты бактерии, обитающие в морях, которые обладали чувством магнетизма. Магнетизм позволяет этим удивительным существам ориентироваться по линиям магнитного поля Земли и находить серу, кислород и другие, так необходимые ей вещества. Их «компас» представлен магнитосомами, которые состоят из магнита. При делении магниточувствительные бактерии делят свой компас. При этом перетяжки при делении становится явно недостаточно, поэтому бактериальная клетка сгибается и делает резкий перелом.

Рис. 21. На фото момент деления магниточувствительной бактерии.

Рост бактерий

Вначале деления бактериальной клетки две молекулы ДНК расходятся в разные концы клетки. Далее клетка делится на две равноценные части, которые отделяются друг от друга и увеличиваются до исходного размера. Скорость деления многих бактерий составляет в среднем 20 — 30 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства.

Масса клеток в процессе роста и развития быстро поглощает питательные вещества из окружающей среды. Этому способствуют благоприятные факторы внешней среды — температурный режим, достаточное количество питательных веществ, необходимая pH среды. Для клеток аэробов необходим кислород. Для анаэробов он представляет опасность. Однако безграничное размножение бактерий в природе не происходит. Солнечный свет, сухой воздух, недостаток пищи, высокая температура окружающей среды и другие факторы губительно действуют на бактериальную клетку.

Рис. 22. На фото момент деления клетки.

Факторы роста

Для роста бактерий необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезируется самой клеткой, часть поступает из окружающей среды. Потребность в факторах роста у всех бактерий разная.

Потребность в факторах роста является постоянным признаком, что позволяет использовать его для идентификации бактерий, подготовке питательных сред и использовать в биотехнологии.

Факторы роста бактерий (бактериальные витамины) — химические элементы, большинством из которых являются водорастворимые витамины группы В. В эту группу входят так же гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и другие аминокислоты. При отсутствии факторов роста наступает бактериостаз.

Бактерии используют факторы роста в минимальных количествах и в неизменном виде. Ряд химических веществ этой группы входят в состав клеточных ферментов.

Рис. 23. На фото момент деления палочковидной бактерии.

Важнейшие бактериальные факторы роста

• Витамин В1 (тиамин) . Принимает участие в углеводном обмене.
• Витамин В2» (рибофлавин) . Принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях.
• Пантотеновая кислота является составной частью кофермента А.
• Витамин В6 (пиридоксин) . Принимает участие в обмене аминокислот.
• Витамины В12 (кобаламины — вещества, содержащие кобальт). Принимают активное участие в синтезе нуклеотидов.
• Фолиевая кислота . Некоторые ее производные входят в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот.
• Биотин . Участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот.
• Витамин РР (никотиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, образовании ферментов и обмене липидов и углеводов.
• Витамин Н (парааминобензойная кислота). Является фактором роста многих бактерий, в том числе населяющих кишечник человека. Из парааминобензойной кислоты синтезируется фолиевая кислота.
• Гемин . Является составной частью некоторых ферментов, которые принимают участие в реакциях окислениях.
• Холин . Принимает участие в реакциях синтеза липидов клеточной стенки. Является поставщиком метильной группы при синтезе аминокислот.
• Пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Вещества необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот.
• Аминокислоты . Эти вещества являются составляющими белков клетки.

Потребность в факторах роста некоторых бактерий

Ауксотрофы для обеспечения жизнедеятельности нуждаются в поступлении химических веществ из вне. Например, клостридии не способны синтезировать лецитин и тирозин. Стафилококки нуждаются в поступлении лецитина и аргинина. Стрептококки нуждаются в поступлении жирных кислот — компонентов фосфолипидов. Коринебактерии и шигеллы нуждаются в поступлении никотиновой кислоты. Золотистые стафилококки, пневмококки и бруцеллы нуждаются в поступлении витамина В1. Стрептококки и бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте.

Прототрофы самостоятельно синтезируют необходимые вещества.

Рис. 24. Разные условия окружающей среды по-разному влияют на рост колоний бактерий. Слева — стабильный рост в виде медленно расширяющегося круга. Справа — быстрый рост в виде «побегов».

Изучение потребности бактерий в факторах роста позволяет ученым получать большую микробную массу, так необходимую при изготовлении антимикробных препаратов, сывороток и вакцин.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

Размножение бактерий является механизмом повышения числа микробной популяции. Деление бактерий — основной способ размножения. После деления бактерии должны достигнуть размеров взрослых особей. Рост бактерий происходит путем быстрого поглощения питательных веществ их окружающей среды. Для роста необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезирует сама бактериальная клетка, часть поступает из окружающей среды.

Изучая рост и размножение бактерий, ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.

Кривая роста характеризует рост и размножение бактерий в определенных условиях среды. Кривую роста получают при изучении периодической культуры.

Периодическая культура это популяция микроорганизмов которая развивается в ограниченном объеме среды без поступления питательны веществ.

1 фаза - начальная - бактерии растут но не размножаются

2 фаза - фаза lg роста - бактерии интенсивно размножаются

3 фаза - стационарная - размножение - равно смертности

4 фаза - отмирания - накапливаются продукты метаболизмы, истощается питательная среда, бактерии погибают.

Внешние факторы могут оказывать

• Бактериостатическое действие - подавлять размножение и рост бактерий
• Бактерицидное действие - вызывать гибель бактерий

Ферменты бактерий

- Энзимы - специфические белки, которые катализируют химические реакции. Ферменты, вызывают перераспределение электронных плотностей и некоторую деформацию молекулы субстрата. Это приводит к ослаблению внутримолекулярных связей, снижается энергия активации и ускоряется реакция.

Классификация ферментов -

1. По типу катализируемой реакции - оксиредуктазы, лиазы, трасферазы, гидролазы и тд.
2. По локализации - эндоферменты - катализируют реакции внутри клетки. Экзоферменты - выделяются из бактериальной клетки, катализируют расщепление
3. Генетический контроль образования - конститутивные(в течении всего жизненного цикла, не влияет наличие субстрата), индуцибильные - они образуются в ответ на наличие субстрата
4. По субстрату - протеолитические - расщепляют белки, сахаролитические - расщепляют углеводы, липолитические - расщепляющие жиры.

Значение ферментов.

1. Синтез ферментов детерминирован, поэтому определение ферментативных свойств служит для идентификации организмов

2. Ферменты бактерии определяют их болезнетворность

3. Ферментативные свойства используются в микробиологической промышленности

Определение бактериальных ферментов

Протеазы расщепляют белки до аминокислот, мочевины, индола, сероводорода, аммиака. На средах с белком по выделению этих продуктов выявляют протеазы. Используют желатин, разжижение среды. На свернутой сыворотке по ее разжижению и на молоке по его просветлению. Казеин - будет разрушаться, белок свертываться. На МПБ по выделению газа индола и сероводорода, которые выявляют с помощью индикаторных бумажек

Определение ферментов, расщепляющих углеводы - сахаролитические. Эти ферменты расщепляют углеводы до альдегидов, кислот, углекислого газа, и H2. Для их определения используют МПБ или МПА, добавляют индикатор кислотообрзазованияи + углевод + поплавок для газообразования. ПО такому принципу создают среды Гиса и Пестреля. Если свет среды меняется, выделяется газ, значит идет расщепление углеводов. Используют моносахара. На этом принципе создаются панели, планшеты, бумажные индикаторные системы, СИБ - системы индикаторных бумажек, энетротуба и приборы для учета ферментативной активности.(образуется угольная кислота => нужны индикаторы с Ph)

Липолитические ферменты - липазы - выявляют на ЖСА - желточно солевой агар, который содержит желток, в котором много липидов и разрушение липидов сопровождается просветлением среды

Культивирование микроорганизмов.

Это получение большого числа бактерий на питательной среде. Цели культивирования. Культивирования проводят для

1. Изучение микробиологических свойств

2. Для диагностики инфекций

3. Для получения биопрепарата - из бактерий или полученные с помощью бактерий.

Такими препаратами могут быть лечебными, диагностическими, профилактические. Условия культивирования бактерии -

1. Наличие полноценной питательной среды.
2. Оптимальная температура
3. Атмосфера культивирования - либо кислород, либо его отсутствие.
4. Время культивирования - видимый рост через 18-48 часов, но некоторые - туберкулез например - 3-4- недели
5. Освещенность Некоторые будут расти только в присутствии света.

Способы культивирования аэробов

1. Стационарный - на поверхности агара
2. Метод глубинно культивирования с аэрацией среды. Аэрацию проводят для растворения кислорода в среде.
3. Непрерывное культивирование - используют проточные питательные среды.

Культуральные свойства микроорганизмов. Это особенности роста бактерий на питательных средах.

На жидких питательных средах бактерий вызывают помутнение среды, могут образовывать осадок - придонный, пристеночный и могут образовывать пленку на поверхности среды. НА плотных питательных средах образуются колонии.

Колония - изолированное скопление микроорганизмов одного вида на плотной питательной среде. Имеет определенную величину, поверхность, край, форму, консистенцию, структуру, цвет.

Типы колоний

S-гладкие - круглая форма, ровные края, гладкая поверхность.

R-колонии - шероховатые, неровные края, исчерченная поверхность

SR колонии 0 промежуточные - слегка неровные края и поверхность.

Особенности культивирования анаэробов. Для культивирования анаэробов создаются безкислородные условия. Это достигается

1. Регенерацией питательной среды - питательная среда кипятится и растворенный кислород выходит из среды.
2. использование специальных приборов - анаэростаты и эксикаторы. В них кислород поглощается либо химическими поглотителями, либо откачивается от прибора.
3. Добавление в среду редуцирующих веществ - веществ, которые легко и быстро окисляются - углеводы, цистеин, кусочки паренхиматозных органов, аскорбиновая кислота. НА этом принципе создана среда для анаэробов - Кит-Тароцци - среда для анаэробов. Она содержит МПБ, углевод и кусочки печени, которые содержат цистеин.
4. Специальные методы посева. Посев под масло, посев в трубке Вейон- Веньяна, посев по Фортнеру. На чашку заселяют Аэробы и анаэробы - Аэробы поглощают кислород и получается анаэробная среда.

Выделение чистых культур.

Чистая культура - популяция микроорганизмов одного вида, выделенная на жидкой или плотной питательной среде в большом количестве.

Цели выделения.

1. Диагностика инфекций. Выделение чистых культур - основа бактериологического метода. Основан на выделение чистой культуры и ее идентификации. Идентификация - определение вида.
2. Получение биопрепаратов
3. Изучение биологических свойств бактерий
4. Санитарно-гигиеническое исследование

Этапы выделения чистой культуры аэробов.

1. Изучение смеси - мазок окраска по Грамму.
2. Разобщение смеси и получение колоний. Разобщение проводят 1) По Дригальскому - штрихами по поверхности агара. Петлей берут материал и засевают по агару. Посев Шпателя на несколько Чашек. 2)Метод серийных разведений. 3) Коха - метод серийных разведений в расплавленном агаре.
3. Проверка частоты колоний, мазок, окраска по грамму
4. Пересев материала из колоний на скошенный агар для накопления чистой культуры. Выделенная чистая культура идентифицируется по свойствам - морфологическим, тинкториальным, культуральным, ферментативным, и другим.

Выделение чистой культуры анаэробов

1. Накопление анаэробов. Смесь засевают на среду Киттароци и прогревают при температуре 80 градусов 10 минут. Анаэробы, образующие споры сохраняются, а другие - вегетативные формы погибают. Затем питательная среда культивируется, споры прорастают, и накапливаются

2. Получение колоний по Цейслеру колонию анаэробов получают на поверхности агара в Анаэростате, по Вейнбергу, колонии получают в трубках Вейон-Виньяля.

3. Проверка частоты колоний - мазок, окраска по Грамму

4. Пересев Колоний на среду Киттароци, накопление анаэробом, чистой культуры.

5. Идентификация, определение вида анаэроба.

Другие способы выделения чистых культур.

1. Можно использовать оптимальные температуры
2. Выделение спор при прогревании смеси 10 минут при 80 градусах
3. Использование феномена роения - распространение за территорию посева.
4. Метод Шукевича - выделение чистой культуры микроорганизмов, обладающих ползучим ростом.
5. Фильтруемость бактерий - способность проходить через фильтры с определенной величиной спор. Обработка смеси ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком, антисыворотками, получение чистой культуры, устойчивых к этим факторам микроорганизмов.
6. При электрофорезе смеси. У анода или катода будут скапливать организмы с определенным зарядом.
7. Использовать микроманипулятор. Под микроскопом взять клетку и получить чистую культуры - клон - потомство одной микробной клетки. Использование элективных питательных сред.
8. В питательные среды добавляют желчь, соли тиурита, натрийхлор, антибиотики, и выделяют чистую культуру устойчивых микроорганизмов.
9. Можно использовать дифференциально-диагностические среды.
10. Можно использовать биологический метод. Внутрибрюшинно заражают смесью бактерий белых мышей и за счет тропизма, бактерии накапливаются в определенном органе.

Пигменты бактерий.

Это красящие вещества, выделяемые бактериальной клеткой, их синтез генетически детерминирован. По химической структуре пигменты могут быть каратиноидами - красно-желтые, пирролы - зеленые, фенозиновые красители - сине-зеленые и меланиновые - черные ферменты.

Желтые - золотистый стафилакок, сине-зеленый - синегнойная палочка

Пигменты делятся на

1. Нерастворимые пигменты - окрашивают только колонии
2. Растворимые пигменты - могут быть растворимы в спиртах, воде

Пигменты образуются как правило у бактерий, которые находятся в воздушной микрофлоры, у антибиотико-резистентыных микроорганизмов, т.к. они вторичные метаболиты и пигменты часто образуются на свету.

Функция пигментов

1. Пигменты участвуют в обмене веществ
2. Повышают резистентность к антибиотикам
3. Повышают устойчивость к УФ лучам за счет того, что защищают области чувствительные к фотоокислению

L -формы бактерий .

Открыты в 1935г. Это микроорганизмы, лишенные клеточной стенки, но сохранившие способность расти и размножаться. L формы образуются у большинства гетеротрофов и грибов. Факторы, индуцирующие L трансформацию -

1. Антибиотики

2. Аминокислоты - глицин, метионин, лейцин и некоторые другие.

3. Ферменты - лизоцим.

4. Факторы макрорганизма - макротела, комплимент

Эти факторы либо разрушают клеточную стенку, либо действовать на геном клетки и синтез компонентов клеточной стенки не происходит.

Свойства L форм.

1. L формы обеспечивают выживание бактерий при изменении условий среды.
2. Морфологически сходны у отдельных видов бактерий. Они полиморфны - шаровидные, грамотрицательные. Они образуют колонии типа А - мелкие колонии на поверхности среды и колонии типа Б - темный центр, и приподнятые края, колонии врастают в питательную среду.
3. Анаэробы или микроаэрофилы
4. L-формы имеют много способов размножения - бинарное деление, почкование, фрагментация, комбинированное.
5. Они обладают сниженной вирулентностью, у них нет адгезии и у них измененные антигенные свойства.
6. Они способны реверсировать - возвращаться в исходную бактериальную форму

И вызывать трудно поддающиеся лечению инфекции.

Это обусловлено тем, что L - формы, устойчивы к антибиотикам и они устойчивы к защитным факторам макроорганизма, к антителам, фагоцитозу, комплименту.

Некультивируемые формы бактерий НФБ

Это бактерии, которые имеют метаболическую активность, но не растут на питательных средах, переход в некультивируемую форму может наблюдаться у многих микроорганизмов, при воздействии неблагоприятных условий. Этот переход контролируется генетически. Переход осуществляется под действием факторов

1. Температура, особенно низкая
2. Концентрация солей
3. Аэрация среды
4. Количество питательных веществ

Значение некультивированных форм. В такой форме они сохраняются в о внешней среде между эпидемиями и при попадании в макроорганизм могут рекультивроваться - оживляться - это объясняет наличие природно очаговых заболеваний.

Выявление -

1. Прямой подсчет числа клеток

2. Выявление активности ДНК

3. Генетические методы исследования.

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.

Микробиология: конспект лекций Ткаченко Ксения Викторовна

1. Рост и размножение бактерий

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы, и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия. Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам.

Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.

На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток – колонии, различные по размерам, форме, поверхности, окраске и т. д. На жидких средах рост бактерий характеризуется образованием пленки на поверхности питательной среды, равномерного помутнения или осадка.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки. Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Фазы размножение бактериальной клетки на жидкой питательной среде:

1) начальная стационарная фаза; то количество бактерий, которое попало в питательную среду и в ней находится;

2) лаг-фаза (фаза покоя); продолжительность – 3–4 ч, происходит адаптация бактерий к питательной среде, начинается активный рост клеток, но активного размножения еще нет; в это время увеличивается количество белка, РНК;

3) фаза логарифмического размножения; активно идут процессы размножения клеток в популяции, размножение преобладает над гибелью;

4) максимальная стационарная фаза; бактерии достигают максимальной концентрации, т. е. максимального количества жизнеспособных особей в популяции; количество погибших бактерий равно количеству образующихся; дальнейшего увеличения числа особей не происходит;

5) фаза ускоренной гибели; процессы гибели преобладают над процессом размножения, так как истощаются питательные субстраты в среде. Накапливаются токсические продукты, продукты метаболизма. Этой фазы можно избежать, если использовать метод проточного культивирования: из питательной среды постоянно удаляются продукты метаболизма и восполняются питательные вещества.