Wzrost i rozmnażanie mikroorganizmów
Wzrost to wzrost liczby składników chemicznych komórki drobnoustroju. Aby scharakteryzować wzrost mikroorganizmów, stosuje się pojęcie masy bakteryjnej, która wyraża się gęstością bakterii (sucha masa na 1 ml). Proliferację drobnoustrojów opisuje się liczbą bakterii, która odzwierciedla stężenie komórek w 1 ml. Nie ma ścisłej proporcjonalności pomiędzy wzrostem liczby bakterii a masą bakteryjną. Wyjaśnia to fakt, że w populacji bakterii nie wszystkie komórki są żywotne - niektóre z nich są martwe, inne są na różnych etapach niszczenia. Komórki takie uczestnicząc w tworzeniu masy bakteryjnej nie uczestniczą w dalszym rozmnażaniu się bakterii. Bakterie rozmnażają się poprzez bezpośredni podział. W tym przypadku powstaje zwężenie lub błona cytoplazmatyczna zaczyna rosnąć do wewnątrz, prostopadle do osi podłużnej komórki, tworząc płytkę z komórkami dyskowymi.
Ta płytka może czasami być niekompletna i ma otwór w środku, który łączy oba ogniwa siostrzane. Następnie w płytkę komórkową wrasta ściana boczna, która tworzy poprzeczną przegrodę dzielącą płytkę komórkową na dwie części, z których każda trafia do jednej z powstałych komórek. Centralny otwór, nie podzielony poprzeczną przegrodą lub płytą, nazywa się plazmodesmos. Plasmodesmos odgrywa rolę w łączeniu niektórych komórek bakteryjnych w długie łańcuchy lub grupy. Oprócz tego, co zauważono, proces podziału komórek bakteryjnych może zachodzić poprzez ligację. Podczas rozmnażania liczba komórek bakteryjnych wzrasta wykładniczo. W przypadku większości bakterii czas generacji wynosi 20–30 minut.
Wzrost i reprodukcja bakterii objawia się różnie w zależności od warunków uprawy. Na pożywkach stałych przejawem wzrostu i reprodukcji bakterii jest pojawienie się kolonii, które są wizualnie rozróżnialnymi skupiskami komórek bakteryjnych. Kolonie charakteryzują się zestawem specyficznych cech, na podstawie których można zidentyfikować czyste kultury bakterii. Cechy te obejmują: rozmiary (duży, średni, mały, mikroskopijny); kształt (okrągły, rozłożony itp.); barwienie w zależności od wytwarzania pigmentów przez bakterie; powierzchnia (wypukła, płaska, matowa, błyszcząca itp.); charakter krawędzi (gładki, szorstki itp.); konsystencja (jednorodna, pastowata, śluzowata itp.); przezroczystość (przezroczysty, mętny).
Proces wzrostu rozpoczyna się od fazy opóźnienia wzrostu, zwanej fazą opóźnienia. W tym okresie następuje intensywna aktywność metaboliczna bakterii, której efektem jest przygotowanie komórki do szybkiego rozmnażania. Faza rozpoczyna się od momentu wprowadzenia bakterii do środowiska. Jego czas trwania zależy od wieku wysianej rośliny (trwa dłużej przy wprowadzaniu starej uprawy), składu podłoża, temperatury i innych czynników.
Wzrost komórki bakteryjnej. Wzrost biomasy protoplazmy komórkowej, wynikający z syntezy materiału plastycznego podczas odżywiania, nazywany jest wzrostem. Drobnoustroje rozwijają się szybko, w krótkim czasie osiągając granicę swojej fizjologicznej dojrzałości.
Ryc.1. Cykl rozwojowy Bacillus subtilis
1 - młody Bacillus subtilis; 2 - Bacillus subtilis, który zrzucił wici; 3 - podział łańcucha komórek; 4 - tworzenie wici w łańcuchach; 5 - powstawanie sporu
Podział komórek. Komórka, która osiągnęła pewien dojrzały wiek, zaczyna się dzielić, a w pożywce jednocześnie obserwuje się wzrost populacji bakterii – kultury. Podział komórki poprzedzony jest utworzeniem błony cytoplazmatycznej, która zwykle tworzy się w środku komórki bakteryjnej. Podczas podziału komórki następuje replikacja (podwojenie) DNA. W tym przypadku wiązania wodorowe zostają zerwane i powstają dwa łańcuchy (helisy) DNA, z których każdy jest obecny w komórkach potomnych. Następnie jednoniciowe DNA są łączone wiązaniami wodorowymi i ponownie pojawiają się dwuniciowe DNA z informacją genetyczną. Podział komórkowy uznaje się za zakończony, gdy nowo powstałe komórki oddzielone są przegrodą cytoplazmatyczną.
Ryc.2. Wzory dyfrakcji elektronów ultracienkich skrawków dzielących się bakterii
a - gronkowiec dzielący się poprzez utworzenie przegrody podziału (zaznaczonej strzałkami), × 32 000; b - Escherichia coli - w wyniku powstania zwężenia podziału (zaznaczonego strzałkami); 1 - ściana komórkowa, 2 - błona cytoplazmatyczna, 3 - nukleoid; × 22 000.
Rozmnażanie to binarny podział bakterii, riketsje, pierwotniaki itp. W tym przypadku powstają dwie nowe osoby, wyposażone w informację genetyczną komórki macierzystej. Ta metoda rozmnażania nazywana jest integralną, a wirusy rozmnażają się w sposób rozłączny, to znaczy poprzez oddzielną syntezę ich składników - kwasu nukleinowego i białka w komórce gospodarza.
Komórki bakteryjne dzielą się szybciej w początkowych stadiach wzrostu populacji. W późniejszych stadiach podział przebiega wolniej, część komórek macierzystych obumiera, a u niektórych typów bakterii pojawiają się różne inkluzje.
W sprzyjających warunkach tempo wzrostu bakterii jest bardzo wysokie. Co 15–20 minut jedna osoba zamienia się w dwie. Według obliczeń niektórych badaczy, jeśli w ciągu zaledwie godziny drobnoustrój wytworzy dwa osobniki, wówczas w ciągu jednego dnia liczba komórek drobnoustrojów osiągnie 16,5 miliona. Zgodnie z przenośną definicją V.L. Omelyansky'ego, potomstwo jednej bakterii może wyprodukować taki liczba drobnoustrojów, które w ciągu 5 dni mogą zapełnić baseny wszystkich mórz i oceanów.
Dzięki takiemu rozmnażaniu komórki drobnoustrojów mogłyby pokryć całą powierzchnię nie tylko mórz, oceanów, ale także kontynentów. W rezultacie życie ludzkie na naszej planecie byłoby niemożliwe. Jednakże nie ma absolutnego prawa postępu geometrycznego w reprodukcji drobnoustrojów. Na ich wzrost i rozmnażanie negatywnie wpływają antagonistyczne relacje między mikroorganizmami, wyczerpywanie się pożywki, niedobór tlenu i gromadzenie się toksycznych produktów przemiany materii drobnoustrojów. Czynniki te uniemożliwiają ciągły podział komórek.
Wieloletnie badania i obserwacje Bayle'a wykazały, że w płynnej pożywce w określonej objętości następuje maksymalny rozwój komórek z maksymalną liczbą. W ciągu 24 godzin, w tych samych warunkach, ustala się stężenie komórek w 1 ml płynnej pożywki: dla bakterii Escherichia coli i paratyfusu B - 1,5 miliarda, bakterii czerwonki i gronkowców Grigoriewa-Shigi - 300 miliardów, pałeczek duru brzusznego - 800 miliardów. wyrażenie liczbowe nazywa się zwykle stężeniem M (M jest wartością maksymalną) drobnoustrojów. W normalnych warunkach wzrostu stężenie komórek M stanowi granicę akumulacji drobnoustrojów. Warto zauważyć, że jeśli do świeżej pożywki zaszczepiono pewną liczbę drobnoustrojów równą stężeniu M, wówczas liczba komórek nie wzrosła, a jeśli liczba wyhodowanych drobnoustrojów przekroczy stężenie M, nadmiar umiera.
Reprodukcja bakterii w populacji
Aby zrozumieć wzorce reprodukcji drobnoustrojów w populacji, bada się czyste kultury. Natomiast drobnoustroje w warunkach naturalnych i sztucznych występują w asocjacjach. Populacja bakterii to zbiór bakterii, które namnażają się w określonej objętości płynnego podłoża w probówce, kolbie itp. Kiedy bakterie rosną w sposób ciągły na powierzchni gęstej pożywki w probówce, wszystkie znajdujące się w niej komórki jest zwykle uważana za pojedynczą populację. W przypadku hodowli izolowanych kolonii, każdą z nich można uznać za odrębną populację, gdyż nie komunikują się ze sobą.
Kiedy drobnoustroje hoduje się na stałych pożywkach, ujawniają się pewne cechy ich wzrostu, tj. pojawiają się kolonie reprezentujące potomstwo jednej lub kilku komórek. Wygląd kolonii, ich kształt, kolor, przezroczystość, wielkość i inne właściwości to cechy charakterystyczne dla każdego rodzaju bakterii. Szereg gatunków bakterii z wiciami powoduje ciągły wzrost na agarze, pokrywając całą powierzchnię płytki (Proteus vulgaris). Gatunki sporogeniczne różnią się charakterem swoich kolonii, tworząc nieprzezroczyste kolonie o matowej powierzchni.
Wzrost komórek bakteryjnych w płynnych pożywkach charakteryzuje się jednorodnością, co nie ma miejsca w przypadku pożywek stałych. Jednak nawet przy tej metodzie można zaobserwować pewne cechy wzrostu bakterii. Gatunki tworzące suche kolonie na podłożu stałym wytwarzają różnorodne osady w klarownym bulionie. Gatunki tworzące miękkie i wilgotne kolonie na ogół wytwarzają jednorodny wzrost, który równomiernie zakłóca podłoże uprawowe.
W przypadku upraw rosnących w środowisku płynnym ogromne znaczenie ma napowietrzanie. Wiadomo, że w probówkach lub kolbach tylko górne warstwy cieczy mają kontakt z powietrzem atmosferycznym i z tego powodu niektóre obligatoryjne tlenowce, na przykład Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae itp., gromadzą się na powierzchni, tworząc delikatny film.
Fazy wzrostu populacji bakterii
W 1918 r Buchanan, badając cechy rozmnażania bakterii, zaproponował krzywą wskazującą liczbę komórek w każdym okresie. Dynamikę rozmnażania bakterii charakteryzują następujące fazy, oznaczone cyframi rzymskimi. W początkowej fazie (odcinek I) bakterie przystosowują się do nowych warunków życia od momentu wysiewu na pożywkę. W tej fazie bakterie nie namnażają się. Czas trwania fazy początkowej wynosi 1–2 godziny. Początkowa faza rozrodu (segment II) charakteryzuje się wzmożeniem procesów metabolicznych, tempa wzrostu i podziału komórek. Jednak bakterie rozmnażają się powoli. Czas trwania tej fazy wynosi 2 godziny.
W fazie logarytmicznej (odcinek III) obserwuje się przyspieszony wzrost i podział komórek. W tej fazie maksymalnego rozmnażania kształtują się właściwości morfologiczne, kulturowe, biochemiczne, antygenowe i zjadliwe typowe dla każdego rodzaju bakterii. Czas trwania fazy wynosi 5–6 godzin. Faza hamowania (odcinek IV) następuje po aktywnym wzroście i rozmnażaniu się komórek bakteryjnych. Do tego czasu warunki w środowisku uległy zmianie; Gromadzą się toksyczne produkty przemiany materii, zmniejsza się podaż składników odżywczych, pH środowiska nie odpowiada indywidualnym potrzebom poszczególnych drobnoustrojów, zużywane są akceptory wodoru, spowalnia uwalnianie energii i tempo podziału komórek, skraca się czas generacji, wzrasta liczba umierających komórek. Czas trwania fazy wynosi 2 godziny.
Faza stacjonarna (odcinek V) charakteryzuje się stałą koncentracją żywych komórek w pożywce. Umiarkowana proliferacja komórek nie prowadzi do wzrostu masy drobnoustrojów. W tej fazie ustala się równowaga pomiędzy liczbą umierających i pojawiających się komórek. Czas trwania fazy wynosi 2 godziny. Faza przyspieszonej śmierci (segment VI) charakteryzuje się brakiem równowagi pomiędzy reprodukcją a przyspieszoną śmiercią komórek. Faza ta trwa 4–5 godzin. W fazie śmierci logarytmicznej (segment VII) masowa śmierć komórek następuje w stałym tempie. Czas trwania fazy wynosi około 5 godzin. Faza malejącej śmiertelności (segment VIII) charakteryzuje się tym, że bakterie, które przeżyły, wchodzą w stan uśpienia.
Fazy rozmnażania bakterii w czasie zależą od rodzaju bakterii, jakości pożywki, jej stężenia, temperatury i napowietrzenia. Dlatego czas trwania każdej fazy jest wskazany w przybliżeniu. W optymalnych warunkach podział komórek u wielu osobników zachodzi w różnym czasie, na przykład podział E. coli po 15–20 minutach, dur brzuszny - 20-25 minut, paciorkowce - 25-30 minut, prątki gruźlicy - 18-20 godziny.
Czas trwania fazy śmierci komórkowej jest powiązany z charakterystyką gatunkową bakterii. Okres śmierci pneumokoków trwa 2-3 dni, a E. coli miesiące. Na etapie umierania komórki są słabo zabarwione, a niektóre z nich nie dostrzegają farby. Ponadto zmieniają się formy bakterii, ich aktywność biochemiczna i właściwości antygenowe.