Под ростом бактериальной клетки следует понимать увеличение массы ее цитоплазмы, которое происходит в результате синтеза клеточного материала в процессе питания. Рост популяции бактерий проходит 4 стадии: 1) лаг-фаза, 2) экспоненциальная или логарифмическая фаза, 3) стационарная фаза, 4) фаза отмирания.
ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Наступает после того, как в среду внесен посевной материал. Это период адаптации бактерий к питательной среде, когда происходит дифференциальная активация экзо- и эндоферментов для последующего осуществления ферментсубстратной реакции. При стабильном содержании ДНК отмечается резкое повышение бактериального белка и РНК.
ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Длительность лаг-фазы, как правило, непродолжительное, измеряется часами и зависит от вида бактерий, кратности посева на данную среду, состояния культуры, температуры, используемой для выращивания, состава питательной среды. При отсутствии видимых проявлений роста в лаг-фазе происходит увеличение биомассы, в результате чего размер бактериальной клетки возрастает в несколько раз.
ЛАГ-ФАЗА (4 -5 часов) Достигнув определенного размера, «накопив» нужное количество белка, РНК и ДНК, активировав экзо- и эндоферменты, бактериальная клетка начинает активно делиться. Размножение бактерий происходит путем поперечного деления клетки.
ФАЗА ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО РОСТА (5 - 6 часов) Это фаза размножения, осуществляемая посредством бинарного деления материнской клетки на две дочерние. «Цепная реакция прогрессивно ускоряющегося бинарного деления бактериальных клеток приводит к быстрому нарастанию бактериальной массы в питательной среде, интенсивному расходованию ее энергетического субстрата и накоплению продуктов бактериального метаболизма.
СТАЦИОНАРНАЯ ФАЗА РОСТА В результате среда становится все более неблагоприятной для дальнейшего роста и размножения бактерий. Во время стационарной фазы скорость размножения остается постоянной. В зависимости от вида культивируемых бактерий может длится долго, после чего наступает четвертая стадия –
ФАЗА ОТМИРАНИЯ Фаза отмирания характеризуется прогрессивным отмиранием бактериальных клеток по логарифмическому типу. Продолжительность этой фазы – от 48 часов до нескольких недель.
Характер роста бактерий на жидких питательных средах различен - диффузное помутнение питательной среды, - образование пленки или осадка (придонный рост), - рост в виде «комочка ваты» . Характер роста на жидкой питательной среде используется для дифференциации бактерий.
Питательные среды Для культивирования бактерий в лабораторных условиях применяются искусственные питательные среды различного состава. Обычные или простые питательные среды (мясо-пептонный агар, мясопептонный бульон) используются для начальных посевов (первичных). К сложным относятся элективные и дифференциально - диагностические питательные среды.
Питательные среды Элективные среды обеспечивают рост только определенного вида микроорганизмов, при этом сопутствующая микрофлора подавляется специальными добавками. Дифференциально-диагностические питательные среды используют для изучения биохимических свойств микроорганизмов и дают возможность дифференцировать бактерии по ферментативной активности.
КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ По мере изучения и выделения новых видов бактерий, каждая вновь создаваемая классификаций отражала уровень развития науки. Классификация микроорганизмов, то есть систематизация всех известных видов, основывалась на ряде признаков:
Последовательность определения микроорганизма I. К какому царству принадлежит – прокариот или эукариот II. К какой из основных категорий относится: 1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 3. Эубактерии, лишенные клеточных стенок. 4. Архебактерии.
Всего известно 35 групп микроорганизмов III. К какой группе внутри 4 -х категорий принадлежит микроорганизм: 1. Спирохеты 2. Аэробные /микроаэрофильные, подвижные, спиралевидные/, виброидные, грамотрицательные бактерии. 3. Неподвижные грамотрицательные, изогнутые бактерии. 4. Грамотрицательные, анаэробные, микроаэрофильные палочки и кокки.
I. грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточную стенку 5. Факультативные анаэробные, грамотрицательные палочки. 6. Грамотрицательные, анаэробные, прямые, изогнутые и спиралевидные палочки. 7. Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстановление сульфата или серы. 8. Анаэробные грамотрицательные кокки. 9. Риккетсии и хламидии.
I. грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточную стенку 10. Аноксигенные фототрофные бактерии. 11. Оксигенные фототрофные бактерии. 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии. 13. Почкующиеся и/или образующие выросты бактерии. 14. Бактерии, имеющие чехлы. 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, не образующие плодовых тел. 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела.
II. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. 1. Грамположительные кокки. 2. Образующие эндоспоры грамположительные палочки и кокки. 3. Не образующие спор грамположительные палочки правильной формы. 4. Не образующие спор грамположительные палочки неправильной формы. 5. Микобактерии. 6. Актиномицеты.
IV. Архебактерии. 1. Метаногены. 2. Сульфатредуцирующие археи. 3. Экстремально галофильные архебактерии. 4. Архебактерии, лишенные клеточной стенки. 5. Экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболирующие S
Последовательность определения микроорганизма IV. К какому роду относится микроорганизм. V. К какому семейству относится микроорганизм. VI. К какому виду относится микроорганизм.
Построение таксономического названия микроорганизма. 1. ЦАРСТВО 2. КАТЕГОРИЯ. 3. ГРУППА. 4. РОД. 5. СЕМЕЙСТВО. 6. ВИД
Достоинства современной классификации микроорганизмов Созданная на сегодняшний день филогенетическая систематизация имеет все достоинства и недостатки классификации, построенной на одном признаке. К достоинствам следует отнести почти полную идентичность результатов, получаемых в различных лабораториях мира. Для установления видовой принадлежности еще и дополнительно стали оценивать степень гомологии ДНК-ДНК, используя типовые штаммы.
Недостатки имеющейся классификации микроорганизмов. Недостаток имеющейся классификации в том, что она не дает представление о функциях бактерий. Поэтому сейчас большое значение для практических микробиологов имеет создание фенотипической или функциональной классификации. Для быстрого определения таксономического положения микроорганизмов используют «Определитель Берджи» . Это справочное издание постоянно пополняется новыми группами изолятов и периодически переиздается. Сейчас актуально 11 издание.
Формирование современной классификации микроорганизмов. На современном этапе идентификация филогенетического положения прокариот, в том числе некультивируемых, развивается на основе нуклеотидных последовательностей 16 S-р РНК. Усовершенствованная методика секвенирования и обработки данных сделала этот подход практически безальтернативным при определении родовой принадлежности новых организмов. Описание новых таксонов бактерий в последние 50 лет проходит очень быстрыми темпами, благодаря успехам в изучении анаэробов.
Отличие классификации от идентификации Кроме классификаций, в микробиологии существуют схемы идентификации выделенных культур бактерий. Для построения схемы идентификации выбирают такие признаки микроорганизмов, которые легко определить, а для классификации, часто требуют применения сложные методы. При этом схема идентификации должна включать малое число признаков, а для таксономического определения в классификации используют как можно большее число признаков.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. ВЫ ПРОСЛУШАЛИ ЛЕКЦИЮ № 3 ПО МИКРОБИОЛОГИИ НА ТЕМУ: «РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ. ЭВОЛЮЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ» .
Выращивание бактерий – занятие увлекательное и полезное. Некоторым экспериментаторам такие опыты дают возможность убедиться в наличии жизни буквально на каждом миллиметре нестерилизованной поверхности, другие, более практичные естествоиспытатели преследуют исключительно утилитарные цели (использование бактерий в приготовлении продуктов питания, в изготовлении удобрений и даже в строительстве имеет определенную популярность). Чтобы понимать, как наладить процесс культивирования микроорганизмов в специально созданных условиях, следует иметь представление о фазах роста бактерий и о тех факторах, которые влияют на жизнь бактериальной популяции, растущей на питательных средах, контролируемых человеком.
Перед заселением (инокуляцией) бактерий на поверхности с содержанием питательных веществ заводчик должен иметь достаточно информации о том, чем смогут дышать будущие бактериальные клетки и чем они могут питаться.
Дыхание
Практически все бактерии, которых можно вырастить в домашних условиях, являются либо аэробами (дышат исключительно кислородом), либо факультативными анаэробами (в зависимости от условий обитания могут менять химизм дыхательных процессов). Культуры облигатных (строгих) бактерий-анаэробов, которые гибнут в присутствии кислорода, можно выращивать только в бескислородной среде.
Питание
Состав любой среды, в которой необходимо добиться размножения бактериальной популяции, должен включать в себя вещества, содержащие углерод и азот. Существенные требования к необходимому питанию выдвигает автотрофность или гетеротрофность будущей популяции. Питающиеся неорганикой автотрофы требуют достаточного присутствия углекислого газа и карбоната (гидрокарбоната) кальция. Гетеротрофы, разлагающие органику, добывают себе еду из органических кислот, спиртов, углеводов и ароматических соединений. Потребность в азоте бактериальной популяции гетеротрофов удовлетворяется за счет органических соединений с аминогруппами – азотсодержащими органическими веществами.
Сама инокуляция бактерий на питательных средах производится либо капельным путем (вместе с жидкой субстанцией), либо механическим перемещением живой культуры с поверхности обитания на поверхность с подготовленным питанием. Можно провести ватной палочкой по поверхности стола и стряхнуть сухие частицы пыли на питательный раствор.
Рост, размножение и смерть
Фазы роста бактериальной популяции имеют выверенную микробиологами закономерность. На графике роста можно выделить четыре основных фазы, которые наглядно демонстрируют основные этапы развития бактерий на питательных средах.
Первый этап
Первая фаза роста популяции носит название лаг-фазы. Она начинается с момента заселения культуры бактерий на питательный раствор и заканчивается моментом адаптации переселенной популяции к новым условиям. В течение лаг-фазы клетки приспосабливаются к новым условиям жизни. В этой фазе отмечается задержка роста культуры и отсутствие размножения (деления) бактерий.
Продолжительность лаг-фазы зависит от возраста культуры (чем она старше, тем дольше идет приспособление) и от того, насколько различны в среде изначальной и в среде, где популяция культивируется, источники питательных веществ для бактериальной клетки. Чем больше эта разница, тем процесс адаптации дольше.
Второй этап
Следующая фаза роста живой культуры – развитие по экспоненте или экспоненциальная фаза. Приспособившись к условиям дыхания и питания в новой среде, клетки начинают активно делиться. В этой фазе у них самая высокая химическая активность, и они отличаются самой высокой жизнеспособностью. Во время фазы экспонентного роста клетки синтезируют наибольшее количество РНК – белка, который отвечает за создание новой ДНК по той информации, которая зашифрована в материнской ДНК.
Третий этап
С достижением максимального количества жизнеспособных клеток, которые способен «прокормить» имеющийся питательный раствор, фиксируется следующий этап роста живой культуры – стагнация, или стационарная фаза. Отсутствие достаточного питания замедляет все химизмы, которые происходят внутри клетки, скорость размножения падает, РНК практически не синтезируется.
В эту фазу роста популяции микробиологи наблюдают такое явление в бактериальном сообществе, как апоптоз. Апоптоз – альтруистическое поведение части бактерий, которые прекращают поддерживать в себе жизненно важные реакции (фактически, совершают суицид) тем самым отправляясь на корм выжившей части бактериальной популяции. Апоптоз дает возможность для размножения популяции в фазу стагнации.
Последний этап
Завершение жизненного цикла бактериальной клетки зависит скорее от внутренних факторов. Находясь в условиях ограниченного питания, клетки после фаз активного периода роста, размножения и стагнации накапливают в месте своего обитания продукты собственной жизнедеятельности: органические кислоты, автолиз, антибиотики, выработанные в результате бактериального метаболизма клетки.
Домашние условия
В домашних условиях колонии бактерий проще всего вырастить либо на жидкой среде (для этого подойдет бульон), либо на растительном желатине – агаре. Из двух возможных способов культивирования популяций (стационарный и непрерывный) дома можно наладить только стационарный (например, в чашках Петри).
Непрерывный предполагает постоянную подачу питательного раствора и откачку живой культуры. Этот процесс можно поддерживать только при наличии специального лабораторного оборудования, с помощью которого отслеживается необходимое количество требуемого субстрата и уровень заборов живой культуры из имеющегося бактериального инкубатора.
Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.
Рост и размножение
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 II 100 раз быстрее, чем клетки культуры тканей.
Процесс размножения культуры микробов на несменяемой среде протекает неравномерно. В нем определяют четыре основные фазы.
1. Начальная фаза (лаг-фаза), или фаза покоя. В это время культура приспосабливается к питательной среде. В микробной клетке увеличивается содержание РНК ис ее помощью происходит синтез необходимых ферментов.
2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза характеризуется максимальным увеличением клеток в культуре, оно идет в геометрической прогрессии (1, 2,4, 8, 16, 256 и т. д.). В это время в среде большинство молодых и биологически активных клеток. В конце фазы, когда среда истощается, исчезают необходимые для данного микроба вещества, уменьшается количество кислорода, происходит увеличение продуктов обмена - рост культуры замедляется. Кривая постепенно принимает горизонтальное направление.
3. Стационарная фаза, или период зрелости, графически представляет линию, идущую параллельно оси абсцисс. Наступает равновесие между числом вновь образованных и погибших клеток. Уменьшается количество среды, увеличивается плотность клеток в популяции, усиливается токсическое действие продуктов обмена - все это обусловливает гибель клеток.
4. Фаза отмирания. В этой фазе наблюдается не только уменьшение, но и изменение клеток. Появляются деградированные формы, а также споры. Через несколько недель или месяцев культура погибает. Так происходит потому, что ядовитые продукты жизнедеятельности не только тормозят, но и убивают микробные клетки.
Таким образом, благодаря процессам метаболизма, поддерживается жизнедеятельность микробной клетки. Для дыхания аэробом необходим кислород, анаэробы используют нитратное, сульфатное дыхание и брожение. Микроорганизмы усваивают органические и неорганические вещества из внешней среды, окисляя которые получают необходимую энергию и пластические элементы. В результате происходит рост клетки. Достигнув необходимой стадии зрелости происходит размножение клетки простым делением. В процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы постепенно расходуют питательные вещества, выделяя в окружающую среду свои метаболиты, изменяя тем самым состав среды и делая ее непригодной для жизни.
Рост бактерий – это увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции. Рост клетки не беспределен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению.
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. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.
Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. Репликация начинается в одной избранной области, называемой origin (начало), имеющей определенную последовательность нуклеотидов. Здесь может возникать одна или две репликативные вилки. В процессе репликации участвуют более 20 ферментов. Так как бактериальная ДНК двуспиральная, перед репликацией она должна быть разделена. В этом процессе участвуют ферменты хеликаза, которая расплетает двойную спираль и топоизомераза, которая предотвращает образование вторичных завитков. SSB-белок связывается с одноцепочечной ДНК, предотвращая повторное скручивание в двойную спираль. В результате образуется репликативная вилка. Синтез новых цепей ДНК осуществляется ферментом ДНК-полимиразой. Для осуществления реакции полимеризации нуклеотидов на матрице родительской цепи, полимеразе требуется затравка – праймер. Праймер представляет собой короткую нуклеотидную цепочку РНК, комплементарную матричной цепи, со свободным 3 / - концом. После того как цепь ДНК начала синтезироваться, РНК-затравка удаляется. Так как цепи ДНК в дуплексе антипарралельны, то направление расплетания двойной цепи совпадает лишь с направлением синтеза ДНК на одной матрице, которая называется ведущей. На комплементарной цепи ДНК синтезируется короткими фрагментами, которые впоследствии сшиваются в одну цепь ДНК-лигазами. Процесс репликации ДНК бактерии продолжается до тех пор, пока не удвоится вся ДНК.
При внесении бактерий в питательную они растут и размножаются до тех пор, пока содержание какого-нибудь из необходимых компонентов среды не достигнет минимума, после чего рост и размножение прекращаются. Если не прибавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов обмена, то получаем статистическую бактериальную культуру.
Фазы размножения бактерий:
1. Начальная (лаг-фаза) охватывает промежуток времени от момента посева бактерий до начала их роста. Ее продолжительность составляет в среднем 2-5 часов и зависит от состава питательной среды.
2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза. Характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость зависит от вида бактерий и питательной среды. Время удвоения клеток называется временем генерации. Это время варьирует от нескольких минут до нескольких часов.
3. Стационарная фаза наступает когда число клеток перестает увеличиваться. При уменьшении в питательной среде концентрации питательных веществ, снижении парциального давления кислорода, накоплении токсических продуктов обмена, уменьшается скорость роста бактерий. Продолжительность стационарной фазы составляет несколько часов и зависит от вида бактерий.
4. Фаза отмирания наступает вследствие накопления кислых продуктов обмена или в результате автолиза под влиянием собственных ферментов. Продолжительность этой фазы колеблется от десятка часов до нескольких недель.
Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом - формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением - самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.
Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные - путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.
Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра - нуклеоида.
Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и терминация.
Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, не изменяющийся объем питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру - периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путем непрерывной подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, то такое культивирование называется непрерывным, а культура - непрерывной.
При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жидкой питательной среде, подразделяют на несколько фаз, или периодов :
1. лаг-фаза;
2. фаза логарифмического роста;
3. фаза стационарного роста, или максимальной концентрации
бактерий;
4. фаза гибели бактерий.
Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кривой размножения бактерий, отражающей зависимость логарифма числа живых клеток от времени их культивирования.
Лаг-фаза - период между посевом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-фазы в среднем 4-5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению; нарастает количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов.
Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий. Продолжительность ее около 5- 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20-40 мин. Во время этой фазы бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью компонентов метаболизма интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др.
Затем наступает фаза стационарного роста , при которой количество жизнеспособных клеток остается без изменений, составляя максимальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность выражается в часах и колеблется в зависимости от вида бактерий, их особенностей и культивирования.
Завершает процесс роста бактерий фаза гибели , характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель. Интенсивность роста и размножения бактерий зависит от многих факторов, в том числе оптимального состава питательной среды, окислительно-восстановительного потенциала, рН, температуры и др.
Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные колонии округлой формы с ровными или неровными краями (S- и R-формы), различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий.
Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питательную среду и окрашивают её. Другая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях. И, наконец, существуют пигменты, не растворимые ни в воде, ни в органических соединениях.
Наиболее распространены среди микроорганизмов такие пигменты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины являются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красного цвета, синтезирующимися из фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксидцисмутазой и пероксидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикробным, антибиотикоподобным действием.
Loading...