Rast in razmnoževanje mikroorganizmov
Rast je povečanje števila kemičnih sestavin mikrobne celice. Za karakterizacijo rasti mikroorganizmov se uporablja koncept bakterijske mase, ki se izraža z gostoto bakterij (suha teža na 1 ml). Razmnoževanje mikrobov je opisano s številom bakterij, ki odraža koncentracijo celic v 1 ml. Med povečanjem števila bakterij in bakterijsko maso ni stroge sorazmernosti. To je razloženo z dejstvom, da niso vse celice v bakterijski populaciji sposobne preživeti - nekatere so mrtve, nekatere so na različnih stopnjah uničenja. Takšne celice, ki sodelujejo pri ustvarjanju bakterijske mase, ne sodelujejo pri nadaljnjem razmnoževanju bakterij. Bakterije se razmnožujejo z neposredno delitvijo. V tem primeru nastane zožitev ali začne citoplazemska membrana rasti navznoter, pravokotno na vzdolžno os celice s tvorbo diskaste celične plošče.
Ta plošča je lahko včasih nepopolna in ima luknjo v sredini, ki povezuje obe sestrski celici. Nato stranska stena preraste v celično ploščo, ki tvori prečno pregrado, ki deli celično ploščo na dva dela, od katerih vsak poteka do ene od oblikovanih celic. Osrednja odprtina, ki ni ločena s prečnim septumom ali ploščo, se imenuje plazmodezmos. Plazmodezmos ima vlogo pri povezovanju celic nekaterih bakterij v dolge verige ali skupine. Poleg zgoraj navedenega lahko pride do procesa delitve bakterijskih celic z ligacijo. Število bakterijskih celic v procesu razmnoževanja eksponentno narašča. Za večino bakterij je čas generiranja 20-30 minut.
Rast in razmnoževanje bakterij se kažeta različno glede na pogoje gojenja. Na gostih hranilnih medijih je manifestacija rasti in razmnoževanja bakterij pojav kolonij, ki so vizualno razločljivi grozdi bakterijskih celic. Za kolonije je značilen niz specifičnih lastnosti, na podlagi katerih je mogoče identificirati čiste kulture bakterij. Ti znaki vključujejo: velikosti (velike, srednje, majhne, mikroskopske); oblika (okrogla, sploščena itd.); barva, odvisno od tvorbe pigmentov s strani bakterij; površina (konveksna, ravna, mat, sijoča itd.); narava robov (gladka, hrapava itd.); konsistenca (homogena, pastozna, sluzasta itd.); prosojnost (prozoren, moten).
Proces rasti se začne s fazo zastoja rasti ali fazo zaostanka. V tem obdobju se pojavi intenzivna presnovna aktivnost bakterij, posledica katere je priprava celice na hitro razmnoževanje. Faza se začne z vnosom bakterij v gojišče. Njegovo trajanje je odvisno od starosti posejane kulture (pri vnosu stare kulture je daljše), sestave gojišča, temperature in drugih dejavnikov.
Rast bakterijske celice. Povečanje biomase celične protoplazme, ki je posledica sinteze plastičnega materiala v procesu prehranjevanja, imenujemo rast. Mikrobi rastejo hitro in v kratkem času dosežejo mejo svoje fiziološke zrelosti.
Slika 1. Razvojni cikel senenega bacila
1 - mlada palica sena; 2 - senena palica, shed flagella; 3 - delitev celične verige; 4 - tvorba bičkov v verigah; 5 - tvorba spore
Celična delitev. Celica, ki je dosegla določeno zrelost, se začne deliti, v hranilnem mediju pa se hkrati opazi povečanje populacije bakterij - kultura. Pred delitvijo celice nastane citoplazemska membrana, ki običajno nastane v sredini bakterijske celice. Med delitvijo celic pride do replikacije DNK. V tem primeru se vodikove vezi prekinejo in nastaneta dve verigi (vijačnici) DNK, od katerih je vsaka prisotna v hčerinskih celicah. Nato se enoverižne DNK povežejo z vodikovimi vezmi in ponovno se pojavijo dvoverižne DNK, ki imajo genetsko informacijo. Celična delitev se šteje za dokončano, ko so novo nastale celice ločene s citoplazemskim septumom.
Slika 2. Elektronski difrakcijski vzorci ultratankih rezov delečih se bakterij
a - stafilokok, ki se deli s tvorbo delitvenega septuma (označeno s puščicami), × 32.000; b - Escherichia coli - kot posledica tvorbe zožitve delitve (označeno s puščicami); 1 - celična stena, 2 - citoplazemska membrana, 3 - nukleoid; × 22.000.
Razmnoževanje - binarna cepitev bakterij, rikecij, protozojev itd. V tem primeru nastaneta dva nova posameznika, obdarjena z genetsko informacijo matične celice. Ta način razmnoževanja imenujemo integralni, virusi pa se razmnožujejo disjunktivno, to je z ločeno sintezo svojih komponent - nukleinske kisline in beljakovin v gostiteljski celici.
Bakterijske celice se v začetnih fazah rasti populacije hitreje delijo. V kasnejših fazah delitev poteka počasneje, nekatere matične celice odmrejo in v nekaterih vrstah bakterij se pojavijo različni vključki.
V ugodnih razmerah je stopnja razmnoževanja bakterij zelo visoka. Vsakih 15–20 minut se od enega posameznika pridobita dva posameznika. Po izračunih nekaterih raziskovalcev, če mikrob proizvede dva posameznika v samo eni uri, potem v enem dnevu število mikrobnih celic doseže 16,5 milijona, kar lahko napolni bazene vseh morij in oceanov.
S takim razmnoževanjem bi mikrobne celice lahko prekrile celotno površino ne le morij in oceanov, ampak tudi celin. Posledično bi bilo življenje ljudi na našem planetu nemogoče. Vendar pa pri razmnoževanju mikrobov ni absolutnega zakona geometrijskega napredovanja. Na njihovo rast in razmnoževanje negativno vplivajo antagonistična razmerja mikroorganizmov, izčrpanost hranilnega medija, pomanjkanje kisika in kopičenje strupenih odpadkov mikrobov. Ti dejavniki preprečujejo neprekinjeno delitev celic.
Bayleove dolgoročne študije in opazovanja so pokazala, da v tekočem hranilnem mediju v določeni prostornini pride do največjega razvoja celic z omejenim številom. V 24 urah pod enakimi pogoji se določi koncentracija celic v 1 ml tekočega medija: za bakterije E. coli in paratifus B - 1,5 milijarde, za grigorievske bakterije dizenterije - Shiga in stafilokoke - 300 milijard, za bacile tifusa - 800 milijard številčni izraz se običajno imenuje M-koncentracija (M je največja) mikrobov. V normalnih rastnih pogojih je M-koncentracija celic meja kopičenja mikrobov. Zanimivo je, da če v sveže hranilno gojišče nacepimo takšno količino mikrobov, ki je enaka M-koncentraciji, se število celic ne poveča, če pa število gojenih mikrobov preseže M-koncentracijo, se število celic ne poveča. odvečni poginejo.
Razmnoževanje bakterij v populaciji
Da bi razumeli vzorce razmnoževanja mikrobov v populaciji, preučujemo čiste kulture. Vendar pa se mikrobi v naravnih in umetnih razmerah nahajajo v združbah. Bakterijska populacija je zbirka bakterij, ki se razmnožujejo v določenem volumnu tekočega medija v epruveti, bučki itd. Z neprekinjeno rastjo bakterij na površini gostega hranilnega medija v epruveti se celota vseh celic v njem velja za eno samo populacijo. V primeru rasti izoliranih kolonij lahko vsako od njih štejemo za ločeno populacijo, saj med seboj ne komunicirajo.
Ko mikrobe gojimo na gostih hranilnih medijih, se pokažejo nekatere značilnosti njihove rasti, to je, da se pojavijo kolonije, ki predstavljajo potomce ene ali več celic. Videz kolonij, njihova oblika, barva, prosojnost, velikost in druge lastnosti so značilnost vsake vrste bakterij. Številne vrste bakterij, ki imajo bičke na agarju, ustvarjajo kontinuirano rast, ki pokriva celotno površino posode (Proteus vulgaris). Sporogene vrste se razlikujejo po naravi kolonij, ki tvorijo neprozorne kolonije z mat površino.
Za rast bakterijskih celic v tekočih hranilnih gojiščih je značilna enakomernost, kar pa ni na gostih hranilnih gojiščih. Vendar pa je tudi s to metodo mogoče opaziti nekatere značilnosti rasti bakterij. Vrste, ki tvorijo suhe kolonije na gostih medijih, dajejo različne usedline v bistri juhi. Vrste, ki tvorijo mehke in vlažne kolonije, praviloma dajejo homogeno rast in enakomerno motijo hranilni medij.
Za kulturo, ki raste v tekočem mediju, je prezračevanje zelo pomembno. Znano je, da v epruvetah ali bučkah samo zgornje plasti tekočine pridejo v stik z atmosferskim zrakom, zaradi česar se na površini kopičijo nekateri obvezni aerobi, na primer Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae itd. tvori občutljiv film.
Faze rasti bakterijske populacije
Leta 1918 Buchanan, ki je proučeval značilnosti razmnoževanja bakterij, je predlagal krivuljo, ki prikazuje število celic v vsakem časovnem obdobju. Za dinamiko razmnoževanja bakterij so značilne naslednje faze, označene z rimskimi številkami. V začetni fazi (segment I) se bakterije prilagajajo novim življenjskim razmeram od trenutka, ko so posejane na hranilni medij. V tej fazi se bakterije ne razmnožujejo. Trajanje začetne faze je 1-2 uri. Začetno fazo razmnoževanja (oddelek II) zaznamujejo povečani presnovni procesi, hitrost rasti in delitev celic. Vendar je rast bakterij počasna. Trajanje te faze je 2 uri.
V logaritemski fazi (segment III) opazimo pospešeno rast in delitev celic. V tej fazi največjega razmnoževanja se oblikujejo morfološke, kulturne, biokemične, antigenske in virulentne lastnosti, ki so značilne za vsako bakterijsko vrsto. Trajanje faze je 5-6 ur. Faza upočasnitve (segment IV) nastopi po aktivni rasti in razmnoževanju bakterijskih celic. V tem času se razmere v okolju spreminjajo; kopičijo se strupeni presnovni produkti, zmanjša se oskrba s hranili, pH medija ne ustreza individualnim potrebam posameznih mikrobov, porabljajo se akceptorji vodika, upočasni se sproščanje energije in hitrost delitve celic, skrajša se čas generiranja, število umirajočih celic se poveča. Trajanje faze je 2 uri.
Za stacionarno fazo (segment V) je značilna stalna koncentracija živih celic v hranilnem mediju. Zmerno razmnoževanje celic ne povzroči povečanja mikrobne mase. V tej fazi se vzpostavi ravnovesje med številom odmirajočih in nastajajočih celic. Trajanje faze je 2 uri. Za fazo pospeševanja odmiranja (segment VI) je značilno neravnovesje med razmnoževanjem in pospešenim odmiranjem celic. Ta faza traja 4-5 ur. V fazi logaritemske smrti (segment VII) se množična celična smrt pojavlja s konstantno hitrostjo. Trajanje faze je približno 5 ur. Za fazo zmanjševanja stopnje smrti (segment VIII) je značilno, da preživele bakterije preidejo v stanje mirovanja.
Faze razmnoževanja bakterij v času so odvisne od vrste bakterij, kakovosti hranilnega medija, njegove koncentracije, temperature in zračnosti. Zato je trajanje vsake faze navedeno približno. V optimalnih pogojih se delitev celic pri številnih posameznikih zgodi ob različnih časih, na primer Escherichia coli se deli po 15-20 minutah, bakterije tifusa - 20-25 minut, streptokoki - 25-30 minut, Mycobacterium tuberculosis - 18-20 ur. .
Trajanje faze celične smrti je odvisno od vrstnih značilnosti bakterij. Obdobje smrti pnevmokoka traja 2-3 dni, E. coli pa mesece. V fazi umiranja se celice slabo obarvajo, nekatere pa ne zaznavajo barvil. Poleg tega se spreminjajo oblike bakterij, njihova biokemična aktivnost in antigenske lastnosti.