Crecimiento y reproducción de microorganismos.
El crecimiento es un aumento en la cantidad de componentes químicos de una célula microbiana. Para caracterizar el crecimiento de microorganismos se utiliza el concepto de masa bacteriana, que se expresa por la densidad de bacterias (masa seca por 1 ml). La proliferación microbiana se describe por el número de bacterias, que refleja la concentración de células en 1 ml. No existe una proporcionalidad estricta entre el aumento del número de bacterias y la masa bacteriana. Esto se explica por el hecho de que en una población bacteriana, no todas las células son viables: algunas están muertas y otras se encuentran en diferentes etapas de destrucción. Si bien participan en la creación de la masa bacteriana, estas células no participan en la reproducción posterior de las bacterias. Las bacterias se reproducen por división directa. En este caso, se forma una constricción o la membrana citoplasmática comienza a crecer hacia adentro, perpendicular al eje longitudinal de la célula con la formación de una placa de disco-celular.
Esta placa a veces puede estar incompleta y tiene un agujero en cuyo centro conecta ambas células hermanas. Posteriormente, en la placa celular crece una pared lateral, que forma una partición transversal que divide la placa celular en dos partes, cada una de las cuales va a una de las células resultantes. El orificio central, no dividido por un tabique o placa transversal, se llama plasmodesmos. Los plasmodesmos desempeñan un papel en la unión de algunas células bacterianas en largas cadenas o grupos. Además de lo señalado, el proceso de división celular bacteriana puede ocurrir por ligación. El número de células bacterianas aumenta exponencialmente durante la reproducción. Para la mayoría de las bacterias, el tiempo de generación es de 20 a 30 minutos.
El crecimiento y la reproducción de bacterias se manifiestan de forma diferente según las condiciones de cultivo. En medios nutritivos sólidos, la manifestación del crecimiento y reproducción de bacterias es la aparición de colonias, que son acumulaciones de células bacterianas visualmente distinguibles. Las colonias se caracterizan por un conjunto de características específicas, a partir de las cuales se pueden identificar cultivos puros de bacterias. Estas características incluyen: tamaños (grande, mediano, pequeño, microscópico); forma (redonda, extendida, etc.); coloración dependiendo de la producción de pigmentos por bacterias; superficie (convexa, plana, mate, brillante, etc.); la naturaleza de los bordes (lisos, rugosos, etc.); consistencia (homogénea, pastosa, viscosa, etc.); transparencia (transparente, turbia).
El proceso de crecimiento comienza con una fase de retraso del crecimiento o fase de retraso. Durante este período, se produce una intensa actividad metabólica de las bacterias, cuyo resultado es la preparación de la célula para una rápida reproducción. La fase comienza desde el momento en que las bacterias se introducen en el medio ambiente. Su duración depende de la edad del cultivo sembrado (se tarda más cuando se introduce un cultivo viejo), la composición del medio, la temperatura y otros factores.
Crecimiento de una célula bacteriana. El aumento de la biomasa del protoplasma celular, resultante de la síntesis de material plástico durante la nutrición, se denomina crecimiento. Los microbios crecen rápidamente y alcanzan el límite de su madurez fisiológica en poco tiempo.
Figura 1. Ciclo de desarrollo de Bacillus subtilis.
1 - bacilo subtilis joven; 2 - Bacillus subtilis, que ha perdido sus flagelos; 3 - división de una cadena de células; 4 - formación de flagelos en cadenas; 5 - formación de disputa
División celular. Una célula que ha alcanzado una determinada edad madura comienza a dividirse y, en el medio nutritivo, se observa simultáneamente un crecimiento de la población bacteriana (el cultivo). La división celular está precedida por la formación de una membrana citoplasmática, que normalmente se forma en el centro de la célula bacteriana. Durante la división celular, se produce la replicación (duplicación) del ADN. En este caso, se rompen los enlaces de hidrógeno y se forman dos cadenas (hélices) de ADN, cada una de las cuales está presente en las células hijas. Luego, los ADN monocatenarios se unen mediante enlaces de hidrógeno y aparecen nuevamente ADN bicatenarios con información genética. La división celular se considera completa cuando las células recién formadas están separadas por un tabique citoplasmático.
Figura 2. Patrones de difracción de electrones de secciones ultrafinas de bacterias en división.
a - estafilococos que se dividen formando un tabique divisorio (indicado por flechas), × 32 000; b - Escherichia coli - como resultado de la formación de una constricción divisional (indicada por flechas); 1 - pared celular, 2 - membrana citoplasmática, 3 - nucleoide; × 22.000.
La reproducción es la fisión binaria de bacterias, rickettsias, protozoos, etc. En este caso se forman dos nuevos individuos, dotados de la información genética de la célula madre. Este método de reproducción se llama integral y los virus se reproducen de forma disyuntiva, es decir, mediante la síntesis separada de sus componentes: ácido nucleico y proteínas en la célula huésped.
Las células bacterianas se dividen más rápidamente en las etapas iniciales del crecimiento de la población. En etapas posteriores, la división avanza más lentamente, algunas de las células madre mueren y aparecen diversas inclusiones en ciertos tipos de bacterias.
En condiciones favorables, la tasa de crecimiento de bacterias es muy alta. Cada 15 a 20 minutos, un individuo se convierte en dos. Según los cálculos de algunos investigadores, si en tan solo una hora un microbio produce dos individuos, en un día el número de células microbianas alcanza los 16,5 millones. Según la definición figurativa de V. L. Omelyansky, la descendencia de una bacteria puede producir tal número de microbios en 5 días, que pueden llenar las cuencas de todos los mares y océanos.
Con tal reproducción, las células microbianas podrían cubrir toda la superficie no solo de mares y océanos, sino también de continentes. En consecuencia, la vida humana en nuestro planeta sería imposible. Sin embargo, no existe una ley absoluta de progresión geométrica en la reproducción microbiana. Su crecimiento y reproducción se ven afectados negativamente por las relaciones antagónicas entre microorganismos, el agotamiento del medio nutritivo, la deficiencia de oxígeno y la acumulación de productos de desecho microbianos tóxicos. Estos factores impiden la división celular continua.
Los muchos años de investigación y observaciones de Bayle han establecido que en un medio nutritivo líquido en un cierto volumen, se produce el máximo desarrollo de células con un número máximo. En 24 horas, en las mismas condiciones, se establece la concentración de células en 1 ml de medio líquido: para Escherichia coli y bacterias paratifoides B - 1,5 mil millones, bacterias de la disentería Grigoriev-Shiga y estafilococos - 300 mil millones, bacilos tifoideos - 800 mil millones. la expresión numérica suele denominarse concentración M (M es la máxima) de microbios. En condiciones normales de crecimiento, la concentración de M de las células es el límite para la acumulación de microbios. Es interesante observar que si se inocula un número de microbios en un medio nutritivo fresco igual a la concentración de M, entonces el número de células no aumenta, y si el número de microbios cultivados excede la concentración de M, el número de microbios cultivados excede la concentración de M, el número de células no aumenta. los que sobran mueren.
Reproducción de bacterias en una población.
Para comprender los patrones de reproducción microbiana en una población se estudian cultivos puros. Sin embargo, los microbios en condiciones naturales y artificiales se encuentran en asociaciones. Una población bacteriana es un conjunto de bacterias que se multiplican en un cierto volumen de medio líquido en un tubo de ensayo, matraz, etc. Cuando las bacterias crecen continuamente en la superficie de un medio nutritivo denso en un tubo de ensayo, la totalidad de todas las células en él Generalmente se considera una sola población. En el caso de colonias aisladas en crecimiento, cada una de ellas puede considerarse una población separada, ya que no se comunican entre sí.
Cuando los microbios se cultivan en medios nutritivos sólidos, se revelan algunas características de su crecimiento, es decir, aparecen colonias que representan la descendencia de una o varias células. La apariencia de las colonias, su forma, color, transparencia, tamaño y otras propiedades son características distintivas de cada tipo de bacteria. Varias especies de bacterias con flagelos producen un crecimiento continuo en agar, cubriendo toda la superficie de la placa (Proteus vulgaris). Las especies esporógenas se diferencian en la naturaleza de sus colonias, formando colonias opacas con una superficie mate.
El crecimiento de las células bacterianas en medios nutritivos líquidos se caracteriza por una uniformidad, lo que no ocurre en medios nutritivos sólidos. Sin embargo, incluso con este método, se pueden observar algunas características del crecimiento bacteriano. Las especies que forman colonias secas en medios sólidos producen una variedad de sedimentos en un caldo transparente. Las especies que forman colonias suaves y húmedas generalmente producen un crecimiento homogéneo que perturba uniformemente el medio de cultivo.
Para un cultivo que crece en un ambiente líquido, la aireación es de gran importancia. Se sabe que en los tubos de ensayo o matraces sólo las capas superiores de líquido entran en contacto con el aire atmosférico, por lo que algunos aerobios obligados, por ejemplo, Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae, etc., se acumulan en la superficie formando un película delicada.
Fases del crecimiento de la población bacteriana.
En 1918 Buchanan, al estudiar las características de la reproducción bacteriana, propuso una curva que indica el número de células en cada período de tiempo. La dinámica de la reproducción bacteriana se caracteriza por las siguientes fases, indicadas con números romanos. En la fase inicial (segmento I), las bacterias se adaptan a nuevas condiciones de vida desde el momento en que se siembran en un medio nutritivo. En esta fase las bacterias no se multiplican. La duración de la fase inicial es de 1 a 2 horas. La fase inicial de reproducción (segmento II) se caracteriza por un aumento de los procesos metabólicos, la tasa de crecimiento y la división celular. Sin embargo, las bacterias se multiplican lentamente. La duración de esta fase es de 2 horas.
En la fase logarítmica (segmento III) se observa crecimiento y división celular acelerados. En esta fase de máxima reproducción se forman las propiedades morfológicas, culturales, bioquímicas, antigénicas y virulentas propias de cada tipo de bacteria. La duración de la fase es de 5 a 6 horas. La fase de desaceleración (segmento IV) ocurre después del crecimiento activo y la reproducción de células bacterianas. Para entonces, las condiciones del medio ambiente han cambiado; Se acumulan productos metabólicos tóxicos, disminuye el suministro de nutrientes, el pH del medio ambiente no se corresponde con las necesidades individuales de los microbios individuales, se consumen aceptores de hidrógeno, la liberación de energía y la tasa de división celular disminuyen, el tiempo de generación disminuye y aumenta el número de células moribundas. La duración de la fase es de 2 horas.
La fase estacionaria (segmento V) se caracteriza por una concentración constante de células vivas en el medio nutritivo. La proliferación celular moderada no conduce a un aumento de la masa microbiana. En esta fase se establece un equilibrio entre el número de células moribundas y emergentes. La duración de la fase es de 2 horas. La fase de muerte acelerada (segmento VI) se caracteriza por un desequilibrio entre la reproducción y la muerte celular acelerada. Esta fase dura de 4 a 5 horas. En la fase de muerte logarítmica (segmento VII), la muerte celular masiva se produce a un ritmo constante. La duración de la fase es de unas 5 horas. La fase de disminución de la tasa de mortalidad (segmento VIII) se caracteriza por el hecho de que las bacterias supervivientes entran en un estado latente.
Las fases de reproducción bacteriana a lo largo del tiempo dependen del tipo de bacteria, la calidad del medio nutritivo, su concentración, temperatura y aireación. Por tanto, la duración de cada fase se indica de forma aproximada. En condiciones óptimas, la división celular en varios individuos ocurre en diferentes momentos, por ejemplo, E. coli se divide después de 15 a 20 minutos, las bacterias tifoideas - 20 a 25 minutos, los estreptococos - 25 a 30 minutos, Mycobacterium tuberculosis - 18 a 20 horas.
La duración de la fase de muerte celular está relacionada con las características de la especie de la bacteria. El período de muerte del neumococo dura de 2 a 3 días y el de E. coli, meses. En la etapa de muerte, las células se tiñen débilmente y algunas de ellas no perciben la pintura. Además, cambian las formas de las bacterias, su actividad bioquímica y sus propiedades antigénicas.