ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ - В. М. Самыгин - 2015

ГЛАВА 9. РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРОБОВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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