Культивирование и рост микроорганизмов

Культивирование микроорганизмов является одним из основных методов в микро­биологии. Оно основано на знании физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов и понимании значения физико-химических условий среды для жизнедеятельности микроорганиз­мов.

Культивированием называют выращивание микроорганизмов на питательных средах в определенных условиях, а развивающийся при этом организм - культурой. Культивирование при определенной температуре называется инкубированием ( или инкубацией).

Строго го­воря, рост - это физиологический процесс, в ходе которого увеличиваются размеры и масса од­ной популяции. В результате размножения увеличивается число особей. Чистойназывается культура, представляющая собой потомство одной клетки. В природе встречаются гетерогенные культуры, а в пищевых производствах, основанных на использовании биохимической деятельности микроорганизмов, применяют в основном чис­тые культуры дрожжей, молочнокислых, уксуснокислых бактерий и др. В последнее время в ряде производств находят успешное применение двух-, трехкомпонентные чистые культуры, состоящие из двух, трех видов микроорганизмов.

Для изучения морфологических, культуральных и физиолого-биохимических свойств любого микроорганизма из окружающей среды проводят его выделение в чистую культуру. Это дает возможность провести идентификацию микроорганизма и установить его таксономическое положение.

Выделение производят путем изолирования одной клетки микроорганизма одним из специальных приемов, затем осуществляют ее размножение на подобранной для данного мик­роорганизма питательной среде, создав элективные (избирательные) условия. Элективные ус­ловия обеспечивают преимущественное развитие выделяемой культуры и ограничивают разви­тие соответствующих микроорганизмов. Указанные условия можно создать путем использова­ния элективных сред. Перед выделением чистой культуры из какого-либо пищевого продукта или природного субстрата (почвы, воды, воздуха), в которой данный микроорганизм находится в небольшом количестве, получают накопительные культурыв элективных условиях. Внесение клеток микроорганизмов или какого-либо исследуемого материала в питательную среду для получения чистой или накопительной культур называют посевом. Перенесение выращенных клеток из одной среды в другую стерильную среду называется пересевом.

Накопительные культуры состоят преимущественно из клеток одного вида микроорганизма, так как элективные среды в сочетании с элективными условиями ограничивают развитие сопутствующих микроорганизмов.

После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Основным методом выделения чистых культур микроорганизмов до настоящего времени является метод, предложенный Р.Кохом. Разбавленную суспензию клеток накопительной культуры высевают на плотную среду с целью получения из каждой клетки отдельной колонии. Выросшая колония обычно состоит из клеток, развившихся от одной клетки, и является чистой.

Чистые культуры сохраняют в пробирках на плотной среде, периодически пересеивая их на свежие питательные среды. Другими способами хранения чистых культур микроорганиз­мов являются: хранение под слоем вазелинового масла, при низких и ультранизких температурах и в лио­филизированном состоянии.

Метод лиофилизации заключается в высушивании клеток из замо­роженного состояния под вакуумом, минуя жидкую фазу (по типу сублимации). Основные за­дачи хранения микроорганизмов - поддержание их жизнеспособности, сохранение стабильно­сти таксономически важных признаков, а также определенных свойств, представляющих инте­рес для науки и практики. Проблема длительного хранения микроорганизмов сводится к созда­нию условий анабиоза, то есть к торможению процессов обмена веществ.

Работа по получению и поддержанию чистых культур промышленных микроорганиз­мов осуществляется в научно-исследовательских лабораториях, которые хранятся в коллекции музея чистых культур.

Чистые культуры рассылаются научно-исследовательскими отраслевыми институтами на предприятия. В заводской лаборатории микробиолог подготавливает культуру для производственного цикла, проверяет ее биологическую чистоту, активность.

Разведение чистой культуры осуществляют путем посева микроорганизмов из коллекционной культуры в стерильную питательную среду и включает несколько последовательных пересевов в постепенно возрастающие объемы питательной среды.

Для культивирования микроорганизмов применяют питательные среды, которые должны содержать все вещества, необходимые для их роста. Предложены сотни различных сред для культивирования микроорганизмов, состав которых определяется потребностями микроорганизмов в соединениях, необходимых для биосинтеза и получения энергии. Конструктивные и энергетические процессы у микроорганизмов крайне разнообразны, поэтому столь же разнообразны их потребности в питательных веществах. Из этого следует, что универсальных сред, одинаково пригодных для роста всех без исключения микроорганизмов, не существует.

Культивирование микроорганизмов можно поводить поверхностным или глубинным, периодическим или непрерывным методами, в аэробных или анаэробных условиях. Большое значение при выборе способа культивирования имеет отношение выбранного для культивирования микроорганизма к молекулярному кислороду и конечная цель культивирования: накопление биомассы или получение определенного метаболита (спирта, кислорода, фермента и т.д.).

При периодическом способе культивирования чистая культура в своем развитии проходит четыре фазы роста и размножения, в течение которых изменяются размеры клеток, скорость размножения, морфологические и физиологические свойства:

Первая стадия - лаг-фаза, или фаза задержки роста, следует непосредственно за внесением посевного материала в питательную среду.

Вторая стадия - фаза логарифмического роста(экспоненциальная) характеризуется высокой скоростью размножения клеток, так как в среде много питательных веществ и мало вредных продуктов обмена.

Рис. 28. Закономерность роста чистой культуры микроорганизма:

а - лаг-фаза; б - логарифмическая фаза; в - стационарная фаза; г- фаза отмирания.

Третья стадия - стационарная (фаза зрелости), когда размножение микроорганизмов замедляется, и скорости размножения и отмирания уравновешиваются, в результате чего число клеток остается постоянным.

Четвертая стадия - фаза отмирания, когда начинается гибель клеток и их количество снижается за счет отмирания и автолиза (самопереваривания).

В последние годы активно разрабатывается и применяется метод непрерывного культивирования клеток микроорганизмов в иммобилизованном(прикрепленном) состоянии - на пленках, гранулах, волокнах специально подобранных синтетических полимерных материалов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов функционируют многократно и в течение длительного времени сохраняют высокую биохимическую активность.