Размножение бактериальной популяции

Совокупность бактерий, развивающихся в ограниченном объеме среды, представляет собой бактериальную популяцию. Бактерии, находясь в определенном, не изменяющемся объеме питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды, накоплению продуктов обмена и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру – периодической (статической).

Размножение бактериальной популяции в периодической культуре описывается S-образной кривой роста, которая выражает зависимость числа клеток от продолжительности роста культуры. При развитии популяции на жидкой питательной среде в условиях периодической культуры выделяют четыре основные фазы роста, последовательно сменяющих друг друга (рис. 42):

лаг-фаза;

фаза логарифмического роста;

фаза стационарного роста;

фаза отмирания.

Рис. 42. Кривая роста периодической культуры бактерий

Лаг-фаза (от англ. lag – запаздывание) – период между посевом бактерий и началом размножения. Клетки приспосабливаются к новым условиям среды. Приспособление выражается в синтезе индуцибельных (адаптивных) ферментов, нуклеиновых кислот, белков. Этот период характеризуется интенсивной метаболической активностью, увеличением размеров клеток, которые готовятся к делению. Длительность фазы зависит от состава среды, на которой раньше выращивалась культура и на которую произведен посев. Чем полноценнее среда, тем короче лаг-фаза. На продолжительность фазы оказывает влияние количество и возраст засеваемых клеток. Чем старше культура и чем меньше взято клеток для посева, тем длительнее эта фаза.

Потребление субстрата сопровождается увеличением бактериальной массы – биомассы. Прирост биомассы называется урожаем. Урожай клеток отражает интенсивность развития культуры. Важным показателем, характеризующим эффективность использования субстрата или продуктивность культуры в конкретных условиях среды, является экономический коэффициент:

где Y – экономический коэффициент;

Х – количество выросшей биомассы, г;

S₁ – количество потребленного субстрата, г.

Количество потребленного субстрата определяется как разность между исходной S₀ и его остаточной S концентрацией:

S₁ = S₀ – S.

Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий. Нарастание клеток идет в геометрической прогрессии: скорость размножения постоянная; продолжительность генерации, т.е. время между двумя последовательными делениями клетки, минимальная. Однако, даже в этой фазе происходит отмирание около 20 % клеток. Продолжительность фазы логарифмического роста около 5 – 6 часов. Продолжительность скорости размножения в этот период различна у разных организмов: например, у E. coli – 20-30 мин., у азотобактера – 70-80 мин., у клубеньковых бактерий – до 90 мин. Рост культуры в экспоненциальной фазе является сбалансированным, т.к. все компоненты клетки синтезируются в одинаковой степени. Однако рост является сбалансированным в течение очень короткого интервала времени. В процессе роста культуры происходит изменение состава питательной среды: питательные вещества потребляются, а ненужные продукты метаболизма накапливаются. Реакцией клетки на изменения качества среды является изменение интенсивности синтеза РНК, белка, полисахаридов и других необходимых компонентов.

Стационарная фаза. Качественные изменения среды являются основной причиной замедления роста культуры. В этот период число жизнеспособных клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Количество вновь появляющихся и переходящих в стадию покоя клеток приблизительно равно. На протяжении всей фазы численность популяции не изменяется. У разных видов она наступает через различные промежутки времени: у E. coli через 24 ч, у азотобактера через 72 ч. Количество клеток в стационарной фазе достигает максимума, размеры их становятся близкими к размерам клеток исходного посевного материала.

Фаза отмирания. В этой фазе гибель микроорганизмов превышает скорость их размножения. Отмечаются морфологические и физиологические изменения клеток, появляются инволюционные формы. Отмирание бактерий в культуре происходит под влиянием различных причин: истощения питательной среды, накопления в среде вредных продуктов метаболизма, изменения физико-химических свойств среды в неблагоприятную сторону, «естественного старения» клеток. Некоторая часть клеток гибнет под действием собственных ферментов. Основную роль при этом играют протеолитические ферменты. Они вызывают разрушение белковых веществ в клетке, что приводит ее к гибели. Решающим фактором в этом процессе является накопление в стационарных культурах продуктов метаболизма. Продолжительность фазы колеблется от 10 ч до нескольких недель.

Таким образом, цикл развития периодической культуры сложный. Действующие на клетку факторы очень многочисленны и меняются по ходу развития культуры. Вначале культура страдает от высокой концентрации питательных веществ в свежей среде, через некоторое время культура начинает развиваться с возрастающей скоростью, достигая ее максимального уровня. Затем постепенно сказывается исчерпание элементов питания и отравление продуктами метаболизма, развитие культуры замедляется и в конце концов прекращается совсем.