Рост и размножение бактерий

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом — форми­рованием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки и размножением — самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.

Бактерии размножаются бинарным делением пополам, реже почкованием. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются также путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтези­рующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные — путем перетяжки в результате образования гантеле-видных фигур, из которых затем образуются две одинаковые клетки.

Делению клеток предшествует репликация бактериальной хро­мосомы по полуконсервативному типу: двунитевая цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью. Это приводит к удвоению молекул ДНК бактериального ядра - нуклеоида. Репликация хромосомной ДНК осуществля­ется от начальной точки on (от англ. origin — начало). Хромосома бактериальной клетки связана в области ori с цитоплазматической мембраной. Репликация ДНК катализируется ДНК-полимеразами. Сначала происходит раскручивание (деспирализация) двойной цепи (нити) ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка (разветвленные цепи): одна из цепей, дост­раиваясь, связывает нуклеотиды от 5'- к З'-концу, другая до­страивается посегментно.

Репликация ДНК осуществляется в 3 этапа: инициация, элон­гация (рост цепи) и терминация. Образовавшиеся в результате репликации две хромосомы расходятся, чему способствует уве­личение размеров растущей клетки: прикрепленные к цитоплазматической мембране или ее производным (например, мезосомам) хромосомы по мере увеличения объема клетки удаляются друг от друга. Окончательное их обособление завершается обра­зованием перетяжки (или перегородки) деления. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате действия аутолитических ферментов, разрушающих сердцевину перегородки. Аутолиз при этом может происходить неравномерно: делящиеся клетки на одном участке остаются связанными частью клеточ­ной стенки в области перегородки деления. Такие клетки рас­полагаются под углом друг к другу, что характерно для диф­терийных коринебактерий.

Время

Рис. 4. Фазы размножения бактерий.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, но не изменяющийся объем жидкой питательной среды, размножаясь, потребляют питательные эле­менты, что в дальнейшем приводит к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бакте­рий в такой системе называют периодическим, а культуру — периодической. Если же условия культивирования поддерживают­ся путем непрерывной подачи свежей питательной среды и от­тока такого же объема культуральной жидкости, то такое куль­тивирование называется непрерывным, а культура — непрерывной.

При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры.

Рост периодической культуры бактерий подразделя­ют на несколько фаз, или периодов: 1) лаг-фаза; 2) фаза логарифмического роста; 3) фаза стационар­ного роста, или максимальной концентрации бакте­рий; 4) фаза гибели бактерий.

Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кри­вой размножения бактерий, отражающей зависимость логариф­ма числа живых клеток от времени их культивирования (рис.4).

Лаг-фаза (от англ. lag — запаздывание) — период между по­севом бактерий и началом их размножения. Продолжительность лаг-фазы составляет в среднем 4—5 ч. Бактерии при этом уве­личиваются в размерах и готовятся к делению, повышается количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов клетки. Фаза логарифмического (экспоненциального) роста явля­ется периодом интенсивного деления бактерий продолжительно­стью около 5 - 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20 - 40 мин (время генерации — интер­вал между делениями клетки). Во время этой фазы бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др. Затем наступает фаза стационарного роста, при которой количество жизнеспособных клеток остает­ся без изменений, составляя максимальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность выражается в часах и колеб­лется в зависимости от вида бактерий, особенностей их куль­тивирования. Рост бактерий завершается фазой гибели, характе­ризующейся отмиранием клеток в условиях истощения источ­ников питательной среды и накопления в ней продуктов ме­таболизма бактерий. Продолжительность этой фазы колеблется от десятков часов до нескольких недель. Интенсивность роста и размножения бактерий зависит от многих факторов, в том числе от оптимального состава питательной среды, окислительно-вос­становительного потенциала, рН, температуры и др.

Если к бактериям постоянно добавлять питательную среду и одновременно удалять продукты обмена, можно поддерживать бактериальную культуру в логарифмической фазе роста. Для этого применяют хемостат.

Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бакте­рии, растущие на плотных питательных средах, образуют изо­лированные колонии округлой формы с ровными или неров­ными краями различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий.

Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питатель­ную среду и окрашивают ее, например синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) окрашивает среду в синий цвет. Другая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в орга­нических растворителях. Так, колонии «чудесной палочки» имеют кроваво-красный пигмент, растворимый в спирте.И, наконец, существуют пигменты, нерастворимые ни в воде, ни в органи­ческих соединениях.

Наиболее распространены среди бактерий такие пигменты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины являются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красно­го цвета, они синтезируютсяиз фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксиддисмутазой и пероксидазой защищают микробы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикроб­ным, антибиотикоподобным действием.

Вид, форму, цвет и другие особенности колоний на плотной питательной среде (культуральные свойства) учитывают при идентификации бактерий, а также отборе колоний для получе­ния чистых культур.

В промышленных условиях при получении биомассы микро­организмов с целью приготовления антибиотиков, вакцин, диагностических препаратов и эубиотиков культивирование в основном осуществляют в ферментерах при строгом соблюдении оптимальных параметров для роста и размножения культур.