Рост бактериальной популяции в статической культуре

Бактериальная популяция в статической культуре, то есть в условиях среды, к которой не добавляют питательные вещества и из которой не выводят продукты обмена, характеризуется рядом особенностей. Течение процессов в статической культуре изучались Умбрайтом и Лейб-Клейтоном в 1909 году. Цикл роста бактериальной популяции в статической культур можно разделить на четыре основные фазы: начальную фазу, экспоненциальную, или логарифмическую фазу, максимальную стационарную фазу и фазу отмирания и выживания.

Лаг-фаза включает период от посева бактерий на свежую питательную среду до достижения ими максимальной скорости роста. В начале лаг-фазы бактерии приспосабливаются к новым условиям. В клетках идет синтез ферментов, нуклеиновых кислот, активизируются обменные процессы. Клетки интенсивно растут и размеры их заметно увеличиваются. Однако деления бактерий на этой стадии почти не происходит. Длительность лаг-фазы зависит от полноценности состава питательной среды и от состояния культуры микроорганизма. Чем полноценнее питательная среда и чем моложе культура бактерий, тем короче лаг-фаза.

Экспоненциальная, или логарифмическая, фаза характеризуется активным делением массы клеток бактериальной популяции. Число клеток возрастает и геометрической прогрессии.

Для выражения общего числа клеток, образующихся в бактериальной популяции, пользуются не абсолютными числами, так как они достигают огромных величин, а логарифмами этих чисел. Логарифмируя, получаем:

Число генераций п можно вычислить из уравнении:

, .

Зная число генераций n и продолжительность опыта (время t), легко вычислить скорость роста бактериальной популяции v

; .

Время, необходимое для одного цикла деления, или время генерации, равно

.

Пример. Если за 10 ч число клеток в суспензии возрастает с 10³ до 10⁹, то это означает, что скорость роста равна:

= ,

а время генерации равно: мин.

Во времени экспоненциальная фаза непродолжительна, и у разных бактерий она длится разное время: для Escherichia coli – 20–30 мин, для азотобактера – 70–80 мин, для клубеньковых бактерий – до 90 мин, для нитрифицирующих бактерий – 5–10 ч. Если бы экспоненциальная фаза длилась 48 ч при времени генерации 20 мин, то одна бактериальная клетка дала бы потомство массой 2,2–10³¹ г, что примерно в 4000 раз превысило бы массу Земли. Однако этого не происходит, так как в статической культуре сбалансированный рост бактерий, когда все компоненты клетки синтезируются в одинаковой степени, наблюдается лишь в самом начале экспоненциальной фазы. В процессе интенсивного роста бактериальной популяции быстро истощается питательная среда, накапливаются токсичные продукты обмена, снижается интенсивность синтеза нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других компонентов клетки. Размеры клеток достигают минимального предела. Все это приводит к замедлению роста бактериальной популяции и переходу ее в следующую фазу.

Максимальная стационарная фаза соответствует периоду, когда число жизнеспособных клеток в бактериальной популяции, достигнув максимального уровня, перестает увеличиваться. Многие бактериальные клетки еще продолжают делиться, но количество вновь образующихся клеток равно количеству погибающих. При этом общая численность бактериальной популяции не изменяется. Время наступления этой фазы в культурах разных микроорганизмов разное. Так, у Escherichia co!i она наступает через 24 ч, а у азотобактера – через 72 ч с момента посева культуры бактерий на свежую питательную среду. К концу стационарной фазы условия роста бактериальной популяции ухудшаются и она переходит в завершающую фазу.

Фаза отмирания и выживания характеризуется массовой гибелью бактерий, скорость их образования. Среди бактериальной популяции возникают инволюционные формы, не дающие потомства. Питательность среда предельно истощается, и в ней накапливается большое количество токсичных веществ и продуктов метаболизма. Большинство клеток бактериальной популяции погибают. В данных неблагоприятных условиях выживают лишь единичные особи, которые переходят в состояние покоя. Бактериальная популяция пребывает в состоянии покоя столько времени, пока культура бактерий не окажется в условиях, благоприятных для ее развития.