Рост и размножение бактерий

Основные понятия

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 клетки не безграничен, достигнув определенной величины, она прекращает рост и начинает размножаться. Размножение — это увеличение числа клеток микроорганизмов в популяции. Микроорганизмы размножаются поперечным делением, происходящим в процессе роста, почкованием или образованием спор.

Размножение. 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 самореплицируюшейся ДНК, известной под названием репликона. К ре пли конам относят также плазмиды — генетические структуры, способные к самостоятельной репликации.

Репликация ДНК осуществляется при участии ферментов ДНК-по- лимераз. Процесс начинается в определенной точке ДНК и происходит одновременно в двух противоположных направлениях. Заканчивается репликация также в определенном месте ДНК.

В результате репликации количество ДНК в клетке удваивается. Вновь синтезированные молекулы ДНК постепенно расходятся в образующиеся дочерние клетки. Все это позволяет дочерней клетке иметь совершенно тождественную материнской по последовательности нуклеотидов молекулу ДНК.

После завершения репликации ДНК наблюдается целый комплекс процессов, ведущих к образованию межклеточной перегородки. Начинаются они с врастания двух слоев цитоплазматической мембраны с обеих сторон клетки, затем между слоями мембраны синтезируется пептидогликан и, наконец, формируется перегородка 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 и составляющих цитоплазматической мембраны, образование новых рибосом и других органелл и соединений цитоплазмы.

При делении палочковидных бактерий клетки вначале растут в длину (диаметр клетки не меняется). Когда бактерии становятся вдвое длиннее, палочка несколько сужается посередине, а затем распадается на две клетки.

Таким образом, рост клетки идет вдоль длинной оси, а деление осуществляется в плоскости, перпендикулярной этой оси. Чаще всего клетка делится на две равные части (изоморфное деление), однако встречается и неравномерное (гетеро- морфное) деление, когда дочерняя клетка больше материнской.

На рисунке 34 показано окончание деления бактерии со жгутиками. Жгутики остаются у материнской клетки, у дочерней они вырастают позднее. При многочисленных исследованиях жгутики обычно находили только у одной клетки из недавно разделившейся пары.

Спирохеты, риккетсии, а также некоторые дрожжи и мице- лиальные грибы, простейшие и другие организмы размножаются поперечным делением клеток. Миксобактерии делятся перетяжкой. Сначала клетка в месте деления слегка сужается, далее

Рис. 34. Недавно разделившаяся клетка бактерии рода Klebsiella. Электронная микрофотография, х 2500 (по: К. Дугюл)

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, еше некоторое время сохраняет общую клеточную стенку.

Почкование у бактерий представляет собой разновидность бинарного деления и у ряда форм почти не отличается от деления. Например, у нитрифицирующих (Nitrobacter) и некоторых фотосинтезирующих (Rhodopseudomonas) бактерий клетки делятся, но растут лишь с одного полюса материнской клетки, поэтому образующиеся новые клетки неравноценны — в большинстве случаев между ними можно обнаружить морфологические отличия. Иногда у бактерий наблюдается половой процесс, или конъюгация (см. главу 4).

Клеточные циклы бактерий. Бактериальная клетка проходит от деления к делению клеточный цикл, равнозначный онтогенезу (периоду от возникновения бактериальной клетки до прекращения ее существования). При отсутствии дифференциации клеточный цикл бактерий представляется вегетативным клеточным циклом, который включает процессы, связанные с ростом и делением. У бактерий выделяют три типа вегетативного клеточного цикла:

  • • мономорфный, когда при делении образуется только один морфологический тип клеток;
  • • диморфный, когда при делении образуются две клетки, отличающиеся формой, размерами и другими признаками;
  • • полиморфный, свойственный бактериям, которые в зависимости от состава среды могут образовывать клетки двух и более морфологически разных типов.

Для большинства бактерий характерен мономорфный клеточный никл. До наступления деления клетка проходит ряд периодов. Началу репликации хромосомы (инициации) предшествует период А, во время которого у новой клетки синтеза ДНК не происходит.

Затем наступает период С, во время которого осуществляются инициация репликации, репликация ДНК и ее терминация. Третий период — D занимает время от репликации хромосомы до разделения клеток. В ряде случаев выделяют также и Т-период, который занимает время от начала до конца образования перегородки или перетяжки между вновь образованными дочерними клетками.

Диморфный клеточный цикл наблюдается у грамотрица- тсльных бактерий, он характерен, например, для представителей рода Caulobacter и некоторых почкующихся форм. В процессе размножения Caulobacter образуются два типа клеток — подвижные со жгутиками и неподвижные со стебельком.

Полиморфный клеточный цикл свойствен бактериям таких родов, как Arthrobacter, Hyphomicmbium, Rhodomicrobium и др. Наиболее характерный представитель бактерий с полиморфным циклом — Arthrobacter. Сначала у него формируются палочковидные неправильной формы клетки, затем переходящие в кокки;

Для некоторых бактерий характерно образование специализированных клеток и особый порядок прохождения жизненных циклов (неточная дифференцировка бактерий). Так, у представителей семейства Bacillaceae наблюдается образование эндоспор, семейства Azotobacteriaceae — цист, пурпурной несерной бактерии Rhodomicrobium — экзоспор.

Миксобактерии отличаются сложными жизненными циклами. Их палочковидные клетки с закругленными или заостренными концами способны ползать по плотному субстрату. Размножаются вегетативные клетки бинарным делением.

Предлагаем ознакомиться:  Симптомы туберкулезной интоксикации

В определенных условиях, чаще при истощении пищи и на поверхности твердого субстрата, клетки миксобактсрий собираются и образуют плодовые тела, которые состоят из слизи и дифференцированных покоящихся клеток, называемых миксоспорами, или микроцистами.

Время генерации. В результате роста и размножения из одной клетки микроорганизма образуется колония его потомков. Микроорганизмы отличаются высоким темпом размножения, оцениваемым по времени генерации, т. е.

времени, в течение которого происходит деление клетки. Время генерации неодинаково у разных видов микроорганизмов, у клеток одною вида, но разного возраста; оно зависит также от условий роста (состава питательной среды, температуры, pH и других факторов).

При благоприятных условиях время генерации многих микроорганизмов колеблется от 20 до 30 мин. При такой скорости роста можно получить шесть генераций за 2 ч (у человека столько же поколений проходит за 120 лет).

Вследствие способности к быстрому размножению в природе бактерии численно превышают все другие живые организмы. Однако бактерии не могут очень долго продолжать расти с периодом генерации 20 мин. Если бы такой рост был возможен, то из одной-единственной клетки кишечной палочки через 24 ч образовалось бы 272, или около I022 потомков, общая масса которых составила бы несколько десятков тысяч тонн, а сше через 24 ч роста бактерии масса ее потомков превысила бы в несколько раз массу земного шара.

Фазы цикла развития культуры бактерий. Наблюдения за ростом микроорганизмов, культивируемых на жидкой среде в замкнутых резервуарах, показывают, что скорость их роста изменяется во времени. Внесенные в питательную среду микроорганизмы сначала не развиваются — «привыкают» к условиям среды.

Затем начинается размножение со все возрастающей скоростью, достигающей максимальной, на которую данный вид способен в данной среде. По мере исчерпания запаса питательных веществ и накопления продуктов обмена рост замедляется, а затем прекращается полностью. Цикл развития культуры бактерий состоит из ряда фаз (рис. 35).

Рис. 35. Фазы роста бактерий: I — исходная (стационарная фаза); II — фаза задержки размножения; III — логарифмическая фаза; IV — фаза отрицательного ускорения; V — стационарная фаза максимума; VI — фаза ускорения гибели клеток; VII — фаза логарифмической гибели; VIII — фаза уменьшения скорости отмирания

Первая фаза — исходная, или стационарная. Начинается после внесения микроорганизмов в питательную среду и продолжается 1—2 ч. Количество бактерий во время этой фазы не увеличивается, и клетки не растут.

Общие положения

Размножение – процесс воспроизведения себе подобных организмов, ведущий к увеличению бактериальных клеток в популяции.

Для бактерий характерны следующие виды размножения:

  • бинарное деление на две части– деление происходит симметрично относительно поперечной и продольной оси, образуются одинаковые дочерние клетки
  • почкование– вариант бинарного деления, образующаяся на одном из полюсов почка растет до размеров материнской клетки и отделяется; симметрия присутствует только относительно продольной оси
  • множественное деление – клетка претерпевает ряд последовательных быстрых бинарных делений внутри фибриллярного слоя материнской клетки, что приводит к образованию баеоцитов – мелких клеток, количество которых колеблется от 4 до 1000, в результате разрыва клеточной стенки материнского организма баеоциты выходят наружу;
  • размножение спорами;
  • путем фрагментации клеток, имеющих нитевидную форму;
  • конъюгация (половой процесс, обмен клетками генетическим материалом);
  • трансформация (перенос «голой» ДНК);
  • трансдукция (перенос генетической информации при помощи бактериофагов).

Жизненный цикл бактериальной клетки

Деление клетки микроорганизма, за счет которого и осуществляется размножение, характеризуется достаточно коротким временным циклом. На скорость образования колонии микробов оказывают влияние все перечисленные выше факторы.

В достаточно питательной среде с нужным уровнем pH и при оптимальной температуре время генерации может составлять от 20 минут до получаса. В проточной воде цикл развития может сокращаться до 15–18 минут.

Идеальные условия, гарантирующие такой быстрый рост, достаточно редко встречаются: питание в нужном объеме отсутствует, мешают накапливающиеся продукты распада. Если бы воплотился в жизнь сценарий с возникновением наилучших условий для цикла размножения бактерий, то за сутки только одна клетка кишечной палочки образовала бы обширную колонию весом в несколько десятков тысяч тонн!

Рост микроорганизмов исследовался в условиях замкнутых резервуаров, где, находясь в воде, бактерии не сразу начинали развиваться и размножаться. Только попав в питательную среду, они некоторое время приспосабливались к новым условиям.

Размножение проходило постепенно, пока не стало спадать и не прекратилось вовсе. Эти наблюдения позволили выделить некоторые фазы развития, складывающиеся в общий жизненный цикл существования бактерий.

  1. Исходная фаза характеризуется отсутствием роста и деления клеток. Идет процесс адаптации (от 1 до 2 часов).
  2. Период интенсивного роста получил название лаг-фаза. Начинается деление клеток, но пока очень медленно. Продолжительность этого этапа развития индивидуальна у различных видов бактерий. К тому же на время ее протекания оказывают влияние условия среды.
  3. Для третьей фазы характерно начало интенсивного размножения, скорость которого возрастает по экспоненте.
  4. Период генерации начинает увеличиваться к началу четвертой фазы. Но питательная среда истощается, в ней растет концентрация продуктов обмена. Скорость размножения снижается, а некоторые клетки погибают.
  5. Этой фазе цикла свойственно сохранение знака равенства между вновь появляющимися клетками и количеством погибших микроорганизмов. Популяция продолжает ненамного увеличиваться.
  6. Шестая и седьмая фазы завершают цикл развития. Это время отмирания клеток, число погибающих начинает доминировать.
  7. На финальной восьмой стадии цикл жизни бактерий завершается. Скорость отмирания уменьшается, но под воздействием неблагоприятных факторов среды гибель продолжается.
Предлагаем ознакомиться:  Стафилококковая инфекция у детей - симптомы болезни, профилактика и лечение Стафилококковой инфекции у детей, причины заболевания и его диагностика на EUROLAB

Описанные стадии соответствуют непроточной культуре бактерий. Чтобы рост не замедлялся, в среду постоянно можно вводить новые порции питательных веществ, выводя из нее продукты обмена. Это позволяет добиться того, чтобы нужные микроорганизмы постоянно находились в периоде развития. Такой принцип проточного культивирования микроорганизмов используется, например, в аквариуме.

Репликация хромосомы в бактериальной клетке происходит по полуконсервативному типу, что приводит к удвоению ДНК нуклеоида – бактериального ядра. При этом типе репликации двухспиральная молекула ДНК раскрывается, а каждая отдельная нить ДНК достраивается комплементарной нитью.

Процесс репликации ДНК происходит от начальной точки ori и катализируется ДНК-полимеразами. В области ori хромосома клетки бактерии связана с цитоплазматической мембраной. В первую очередь происходит деспирализация (раскручивание) двойной цепи ДНК.

Репликация ДНК включает следующие этапы:

  • инициация;
  • элонгация (рост цепи);
  • терминация.

В результате репликации образуются две хромосомы, которые прикрепляются к цитоплазматической мембране или ее производным, и удаляются друг от друга мере увеличения клетки. После образования перегородки ил перетяжки деления происходит окончательное разъединение хромосом.
Перегородки деления разрушают аутолитические ферменты.

Влажность как необходимое условие жизнедеятельности микроорганизмов

Для роста и развития бактериям нужно, чтобы уровень влажности в среде их обитания поддерживался на определенном уровне. Воде отводится важная роль при осуществлении обмена веществ, она помогает поддерживать нормальное осмотическое давление в клетке бактерии, делает ее жизнеспособной.

Чем меньше воды содержится в среде, тем пассивнее идет процесс размножения. На продуктах питания это утверждение проверяется легче всего: сухими они хранятся гораздо дольше. Но такой способ обработки и хранения не является универсальным.

Размножение бактерий на плотной питательной среде

Если бактерии засеяны в определенный объем питательной среды, то размножаясь и потребляя питательные вещества, они ведут к истощению этой среды, что, в свою очередь, приводит к прекращению роста микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов в такой системе является периодическим культивированием, а культуру бактерий называют непрерывной культурой.

Рост культуры на жидкой питательной среде может быть:

  • придонным:
  • диффузным;
  • поверхностным.

Рост периодической культуры можно разделить на несколько фаз. Эти фазы можно показать в виде отрезков кривой размножения микроорганизмов (рисунок 1).

  • Лаг-фаза. Период между посевом бактерий и началом процесса размножения. Длится $4-5$часов.Микроорганизмы увеличиваются в объеме и готовятся к делению. Увеличивается количество белка, нуклеиновых кислот и других соединений.
  • Фаза логарифмического роста. Период интенсивного деления клеток. Продолжительность $5-6$ часов. Клетки бактерий наиболее чувствительны.
  • Фаза стационарного роста (максимальной концентрации бактерий). Количество жизнеспособный клеток постоянно, наблюдается М-концентрация (максимальная концентрация). Продолжительность фазы зависит от вида и особенностей бактерий, культивирования.
  • Фаза гибели бактерий. В условиях истощения питательной среды, а также накопления продуктов метаболизма происходит отмирание бактерий.

Продолжительность от $10$ часов до нескольких недель.

При росте на плотных питательных средах бактерии формируют изолированные колонии с ровными или неровными краями округлой формы, разного цвета и консистенции. Цвет питательной среды зависит от пигмента бактерии.

Форма, цвет, вид колоний на плотных питательных средах учитываются при идентификации микроорганизмов, отборе колоний для создания чистых культур.

Влияние кислотности среды на жизнеспособность бактерий

Кислотность среды относят к одному из важнейших показателей для роста и развития микроорганизмов. Ее обозначают символом pH и рассматривают в интервале от 0 до 14. Кислым средам соответствуют значения от 0 до 6, для щелочных показатель колеблется от 8 до 14, а нейтральной точкой считается уровень pH 7,07. Оптимумом для развития микроорганизмов являются цифры, характеризующие нейтральную среду.

Интервал pH от 1 до 11 – это предельные показатели, при которых удалось выжить некоторым бактериям. Но в основной массе их рост прекращается при уровне кислотности, равном 4. Если значение pH определяется как 9, то практически все известные микроорганизмы перестают размножаться. То есть для развития и роста бактерий важно, чтобы кислотность находилась в рамках от 4 до 9.

Существует вид прокариотов, для которых жизненно важно, чтобы pH как можно больше соответствовал кислым средам. Их называют ацидофильными и относят к виду молочнокислых бактерий. Когда они оказываются в молоке, то начинают перерабатывать содержащиеся в нем углеводы в молочную кислоту. Они являются важными участниками процесса получения пробиотических продуктов.

Полезные свойства молочнокислых ацидофильных микроорганизмов используются и для того, чтобы создать лекарственные препараты. Они оказывают благотворное влияние не только на функцию кишечника, но и помогают справиться с рядом других заболеваний.

Для некоторых молочнокислых бактерий в процессе роста и развития характерен синтез кислоты в таком большом количестве, что pH падает до критического уровня, и они прекращают развиваться или погибают. Встречаются и настоящие рекордсмены по выживанию и успешному функционированию в кислых средах.

Что происходит с микроорганизмами во время бактерицидной фазы?

Если бактерии при идеальных условиях способны очень быстро развиваться, то почему, например, в только что полученном молоке их рост некоторое время не происходит? Среда достаточно благоприятная, и даже асептические условия доения не исключают наличие большого числа микроорганизмов.

Действие лактенинов настолько сильно, что многие микроорганизмы не просто замедляют рост, но и погибают. Период их действия, названный бактерицидной фазой, постепенно заканчивается. Это зависит от начального количества бактерий в молоке и повышения температуры продукта.

Предлагаем ознакомиться:  Палочковидные бактерии особенности и лечение

Даже если изначально в молоке было небольшое количество молочнокислых микроорганизмов, то они постепенно начинают преобладать. И для того чтобы предотвратить скисание и избавиться от вредных бактерий, применяют тепловые способы обработки.

Нагрев, кипячение и другие виды тепловой обработки относят к еще одному способу устранения нежелательной микрофлоры в продуктах. И можно назвать еще одну важную составляющую среды, оказывающую влияние на рост и развитие бактерий, – температуру.

Чего боятся мезофилы?

Особенности строения бактерий исключают у них наличие механизмов, которые могли бы регулировать температуру. Поэтому они очень зависят от того, насколько охлаждается или нагревается среда их обитания.

  • Психрофилов – любителей низких показателей (диапазон от 0 до 35°C, оптимум 5–15°C).
  • Термофилов – они предпочитают высокие температуры (40–80°C допустимые условия для существования, но оптимальный показатель от 55 до 75°C).
  • Мезофилов. К ним относят большинство бактерий, в том числе и болезнетворных. Их рост и развитие требуют температуры в 30–45°C. Диапазон для их выживания гораздо шире (от 40 до 80°C), но только при оптимуме жизнедеятельность протекает наиболее активно.

Как бактерии размножаются в еде?

Любые продукты, употребляемые человеком в пищу, имеют собственную микрофлору. Ее можно разделить на два вида:

  • специфическую – это микроорганизмы, которые были добавлены намеренно для того, чтобы придать определенные вкусовые или ароматические качества;
  • неспецифическую – ее составляют бактерии, попавшие на продукт случайно (не был соблюден санитарный режим на производстве или в магазине, нарушались сроки хранения, правила обработки).

При этом разные представители болезнетворных прокариотов предпочитают свой определенный тип продуктов. Сальмонеллы, например, заядлые любители яиц, мяса и молока. Опасность заражения заключается в том, что в чистоте продукта нельзя убедиться по его внешнему виду.

Сальмонеллы в зараженном мясе, субпродуктах или фарше никак не меняют их цвет, вкус или запах. Если приготовленные из такого сырья блюда не пройдут правильную тепловую обработку, то заболевание неизбежно.

Палочкам сальмонеллы для развития нужна температура в 37°C, спор и капсул они не образуют, но к условиям внешней среды весьма устойчивы. Даже в охлажденном до 0°C мясе они способны выживать до 140 суток.

При этом способность к делению не утрачивается. В открытых водоемах сальмонеллы останутся жизнеспособными около 4 месяцев, а в яйцах птиц примерно год. Большая часть штаммов способна выживать после воздействия антибиотиков и дезрастворов.

Сальмонеллы, служащие возбудителями инфекции, чаще всего живут в организме сельскохозяйственных животных. Болезнь у коров, лошадей, овец, свиней или птиц протекает без симптомов. Возбудители выделяются вместе с мочой, слюной, испражнениями и слизью из носа, но люди заражаются чаще всего через молоко, мясо или яйца (пищевой способ). Сальмонеллы могут передаваться и от уже заболевшего человека (контактно-бытовой путь передачи).

Salmonella

Бактерия Сальмонелла (Salmonella)

Мясо птиц или животных может быть заражено во время транспортировки или обработки. Чтобы сальмонеллы не стали причиной заболевания, в домашних условиях можно только соблюдать простые правила профилактики любых кишечных инфекций.

  • качественная обработка мяса, рыбы, яиц и молока;
  • покупка мясных полуфабрикатов, необработанной продукции с частных фермерских хозяйств только при наличии заключения СЭС о безопасности;
  • выполнение правил личной гигиены;
  • отдельный инвентарь для разделки сырых и вареных продуктов поможет не стать носителями сальмонеллы.

Со стороны фермерских хозяйств и соответствующих надзорных органов должен вестись постоянный мониторинг условий содержания животных, их здоровья и качества продукции (особенно мяса) на выходе.

Болезнь протекает следующим образом. Палочки сальмонеллы попадают в пищеварительный тракт. В верхних отделах кишечника они уничтожают часть полезной микрофлоры, затем начинают размножаться в тонкой кишке.

При этом нарушается работа этого отдела ЖКТ, страдает перистальтика. Затем болезнь переходит в острую форму, начинается интоксикация организма, обезвоживание, судороги и острая почечная недостаточность. Так что недооценивать сальмонеллез весьма опрометчиво.

Как добиться сохранения численности популяции микроорганизмов в аквариуме

Как уже упоминалось, в воде численность бактерий может резко увеличиваться. И не всегда это полезная микрофлора. Чтобы рыбы и растения в аквариуме не болели, а вода оставалась чистой и незамутненной, существуют специальные препараты, помогающие функционировать полезным микроорганизмам или содержащие нужные бактерии.

Аквариумисты стремятся к тому, чтобы в водной среде всегда присутствовали простейшие, отвечающие за азотный цикл. Препараты, направленные на поддержание такой микрофлоры, отвечают за то, чтобы в воде аквариума восполнялись природные ферменты и коллоиды.

Ускорить переход азота в простую форму, снизить жесткость воды также под силу специальным препаратам. Создаваемое ими в аквариуме биологическое равновесие гарантирует, что скорость образования продуктов жизнедеятельности будет равна скорости их выведения. А в незагрязненной отходами воде охотно развиваются и функционируют полезные бактерии.

Так называемые стартовые микроорганизмы содержатся в препаратах в состоянии покоя. Как только они оказываются в аквариуме, то происходит их активизация. В воде они распространяются и преобразуют грунт в биофильтр высокой производительности.

Концентрированные суспензии весьма эффективно работают в аквариуме, популярными являются препараты брендов:

  • Tetra.
  • Dennerle.
  • ZMF.
  • Sera.
  • Aqua Medic.

Развитие и рост бактерий можно сделать контролируемым процессом, поэтому знания о факторах, влияющих на эти процессы, так важны. И вовсе не нужно быть узконаправленным специалистом, чтобы интересоваться жизнедеятельностью микроорганизмов – их гарантированное присутствие повсюду позволяет грамотно применять имеющуюся информацию в быту.

svetlanaguz

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Ссылка на основную публикацию

Adblock detector