Растежът на бактериална клетка трябва да се разбира като увеличаване на масата на нейната цитоплазма, което възниква в резултат на синтеза на клетъчен материал по време на хранене. Растежът на бактериална популация преминава през 4 етапа: 1) фаза на забавяне, 2) експоненциална или логаритмична фаза, 3) стационарна фаза, 4) фаза на умиране.
ЛАГ ФАЗА (4-5 часа) Настъпва след въвеждането на семето в средата. Това е периодът на адаптация на бактериите към хранителна средакогато настъпва диференциално активиране на екзо- и ендоензими за последващо осъществяване на ензим-субстратна реакция. При стабилно съдържание на ДНК има рязко увеличение на бактериалния протеин и РНК.
ЛАГ ФАЗА (4-5 часа) Продължителността на лаг фазата обикновено е кратка, измерва се в часове и зависи от вида на бактериите, множеството на инокулация върху дадена среда, състоянието на културата, температурата, използвана за култивиране, и състава на хранителната среда. При липса на видими признаци на растеж в лаг фазата настъпва увеличаване на биомасата, в резултат на което размерът на бактериалната клетка се увеличава няколко пъти.
ЛАГ ФАЗА (4-5 часа) Достигнал определен размер, „натрупал“ необходимото количество протеин, РНК и ДНК, активирайки екзо- и ендоензими, бактериална клетказапочва активно да споделя. Бактериите се размножават чрез напречно клетъчно делене.
ЛОГАРИТМИЧНА ФАЗА НА РАСТЕЖ (5 - 6 часа) Това е фазата на размножаване, осъществяваща се чрез бинарно делене на майчината клетка на две дъщерни клетки. " Верижна реакцияпрогресивно ускоряващото се бинарно делене на бактериални клетки води до бързо увеличаване на бактериалната маса в хранителната среда, интензивна консумация на нейния енергиен субстрат и натрупване на бактериални метаболитни продукти.
СТАЦИОНАРНА ФАЗА НА РАСТЕЖ В резултат на това средата става все по-неблагоприятна за по-нататъшен растеж и размножаване на бактерии. По време на стационарната фаза скоростта на възпроизвеждане остава постоянна. В зависимост от вида на бактериите, които се култивират, може да продължи дълго време, след което започва четвъртият етап -
ФАЗА НА УМИРАНЕ Фазата на умиране се характеризира с прогресивна смърт на бактериални клетки по логаритмичен начин. Продължителността на тази фаза варира от 48 часа до няколко седмици.
Характерът на бактериалния растеж върху течни хранителни среди е различен - дифузна мътност на хранителната среда, - образуване на филм или утайка (растеж на дъното), - растеж под формата на „топка от памучна вата“. Моделът на растеж върху течна хранителна среда се използва за диференциране на бактерии.
Хранителни среди За култивиране на бактерии в лабораторни условия се използват изкуствени хранителни среди с различен състав. За първоначални култури (първични) се използват конвенционални или обикновени хранителни среди (месопептонен агар, месопептонен бульон). Комплексните среди включват селективни и диференциално диагностични хранителни среди.
Културни медии Избираеми средиосигуряват растежа само на определен вид микроорганизми, докато съпътстващата микрофлора се потиска със специални добавки. Диференциално-диагностичните хранителни среди се използват за изследване на биохимичните свойства на микроорганизмите и правят възможно разграничаването на бактериите чрез ензимна активност.
КЛАСИФИКАЦИЯ НА МИКРООРГАНИЗМИТЕ С изучаването и идентифицирането на нови видове бактерии всяка новосъздадена класификация отразява нивото на развитие на науката. Класификацията на микроорганизмите, тоест систематизирането на всички известни видове, се основава на редица характеристики:
Последователност на определяне на микроорганизъм I. Към кое царство принадлежи - прокариоти или еукариоти II. Към коя от основните категории принадлежи: 1. Грам-отрицателни еубактерии, които имат клетъчни стени. 2. Грам-положителни еубактерии с клетъчни стени. 3. Еубактерии без клетъчни стени. 4. Архебактерии.
Познати са общо 35 групи микроорганизми III. Към коя група от 4 категории принадлежи микроорганизмът: 1. Спирохети 2. Аеробни /микроаерофилни, подвижни, спираловидни/, виброидни, грам-отрицателни бактерии. 3. Неподвижни грам-отрицателни, извити бактерии. 4. Грам-отрицателни, анаеробни, микроаерофилни пръчици и коки.
I. грам-отрицателни еубактерии с клетъчна стена 5. Факултативни анаеробни, грам-отрицателни пръчици. 6. Грам-отрицателни, анаеробни, прави, извити и спираловидни пръчици. 7. Бактерии, които извършват дисимилационна редукция на сулфат или сяра. 8. Анаеробни грам-отрицателни коки. 9. Рикетсии и хламидии.
I. грам-отрицателни еубактерии с клетъчна стена 10. Аноксигенни фототрофни бактерии. 11. Кислородни фототрофни бактерии. 12. Аеробни хемолитотрофни бактерии. 13. Бактерии, образуващи пъпки и/или израстъци. 14. Бактерии с обвивки. 15. Нефотосинтезиращи плъзгащи се бактерии, които не образуват плодни тела. 16. Плъзгащи се бактерии, образуващи плодни тела.
II. Грам-положителни еубактерии с клетъчни стени. 1. Грам-положителни коки. 2. Грам-положителни пръчици и коки, които образуват ендоспори. 3. Грам-положителни пръчици, които не образуват спори и са с правилна форма. 4. Грам-положителни пръчици, които не образуват спори неправилна форма. 5. Микобактерии. 6. Актиномицети.
IV. Архебактерии. 1. Метаногени. 2. Сулфат-редуциращи археи. 3. Изключително халофилни архебактерии. 4. Архебактерии без клетъчна стена. 5. Екстремни термофили и хипертермофили, метаболизиращи S
Последователност за идентифициране на микроорганизъм IV. Към кой род принадлежи микроорганизмът? V. Към кое семейство принадлежи микроорганизмът? VI. Какъв вид микроорганизъм е?
Изграждане на таксономичното наименование на микроорганизма. 1. ЦАРСТВО 2. КАТЕГОРИЯ. 3. ГРУПА. 4. ПРЪТ. 5. СЕМЕЙСТВО. 6. ИЗГЛЕД
Предимства съвременна класификациямикроорганизми Създадената до момента филогенетична систематизация има всички предимства и недостатъци на класификация, основана на един признак. Предимствата включват почти пълната идентичност на резултатите, получени в различни лаборатории по света. За да установят видовата идентичност, те също започнаха допълнително да оценяват степента на ДНК-ДНК хомология, използвайки типови щамове.
Недостатъци на съществуващата класификация на микроорганизмите. Недостатъкът на съществуващата класификация е, че тя не дава представа за функциите на бактериите. Така че сега голяма стойностза практическите микробиолози е създаването на фенотипна или функционална класификация. За бързо определяне на таксономичното положение на микроорганизмите използвайте детерминанта на Bergey. Тази референтна публикация се актуализира постоянно с нови групи изолати и периодично се препечатва. Сега е актуално 11-то издание.
Формиране на съвременна класификация на микроорганизмите. включено модерен етапидентифицирането на филогенетичната позиция на прокариотите, включително некултивираните, е разработено на базата на нуклеотидни последователности 16 S-r РНК. Подобрените техники за секвениране и обработка на данни направиха този подход практически безалтернативен за определяне на рода на нови организми. Описанието на нови бактериални таксони се случи с много бързи темпове през последните 50 години, благодарение на напредъка в изследването на анаеробите.
Разликата между класификация и идентификация В допълнение към класификациите, в микробиологията има схеми за идентифициране на изолирани бактериални култури. За да изградите схема за идентификация, изберете характеристики на микроорганизми, които са лесни за определяне и за класификация често изискват използването на сложни методи. В този случай схемата за идентификация трябва да включва малък брой характеристики, а за таксономично определяне в класификацията използвайте възможно най-много по-голям бройзнаци.
БЛАГОДАРЯ ВИ ЗА ВНИМАНИЕТО. СЛУШАХТЕ ЛЕКЦИЯ № 3 ПО МИКРОБИОЛОГИЯ НА ТЕМА: „РАСТЕН И РАЗМНОЖАВАНЕ НА МИКРООРГАНИЗМИТЕ. ЕВОЛЮЦИЯ И КЛАСИФИКАЦИЯ НА МИКРООРГАНИЗМИТЕ”.
Клетките, като всеки жив организъм, се раждат, живеят и умират. Растежът и размножаването на бактериите се случват много бързо; биха могли да завладеят цялото жизнено пространство на планетата, ако не бяха тяхната крехкост и ограничаващи фактори (температура, ниво на киселинност, липса на храна и др.). При благоприятни условия удвояването на клетките отнема средно около половин час. Въпреки това, в критични ситуации, някои видове микроорганизми (спорообразуващи бактерии) са способни да образуват спори и да „хибернират“ за доста дълъг период от време.
Бързото размножаване на бактериите има своите плюсове и минуси. Използването на микроорганизми в биотехнологиите (дрожди, млечна киселина, азотфиксиращи организми, плесени и др.) е насочено към подобряване на качеството на живот. Неконтролираният растеж на болестотворни (патогенни) микроби обаче е опасен за хората. Собствената микрофлора на човек също може да навреди на здравето. В медицината съществува концепцията за синдром на бактериален свръхрастеж, при който броят на опортюнистични микроби в човешкото тяло рязко се увеличава, което представлява заплаха за здравето.
Клетъчният растеж и възпроизводството са две различен процес. Растежът се разбира като увеличаване на клетъчната маса поради образуването на всички клетъчни структури. Възпроизвеждането е увеличаване на броя на клетките в една колония. Има бинарно делене, пъпкуване и генетична рекомбинация (процес, напомнящ на полово размножаване).
Повечето прокариотни (безядрени) клетки, към които принадлежат всички бактерии, се възпроизвеждат чрез делене на две (бинарно делене). По този начин се размножават например млечнокисели бактерии. Процесът започва с удвояване на бактериалната хромозома (молекула на ДНК, която замества ядрото) и протича на няколко етапа:
- клетката се удължава;
- външната обвивка "расте" навътре и образува напречна преграда (констрикция);
- две нови (дъщерни) клетки се движат в различни посоки.
Резултатът е два еднакви организма.
Някои микроорганизми се делят чрез пъпкуване, но това е по-скоро изключение. общо правило. Процесът се състои в образуването на къса издатина на един от полюсите на клетката, в която една от половините на разделения нуклеоид (ДНК молекули с генетична информация) се „нанася“. След това издатината расте и се отделя от майчината клетка.
Има и друг вариант, който наподобява половото размножаване - генетична рекомбинация. В този случай се обменя генетична информация и резултатът е клетка, съдържаща гените на своите родители. Има три начина за прехвърляне на генетична информация:
- конюгация - директен трансфер (а не обмен) на част от ДНК при контакт от една бактерия към друга (процесът протича само в една посока);
- трансдукция – прехвърляне на ДНК фрагмент с помощта на бактериофаг (бактериален вирус);
- трансформация - усвояване на генетична информация от мъртви или унищожени клетки от среда.
По този начин само в резултат на бинарно делене и пъпкуване се получават идентични една на друга клетки. По време на генетичната рекомбинация клетката претърпява промени, развивайки нови свойства и придобивайки други функции.
Скорост и фази на растеж на микроорганизмите
В хранителните среди растежът и размножаването на бактериите протича на няколко етапа, вариращи в количеството налична храна и натрупването на отпадъчни продукти:
- Първата фаза (латентна) се определя от факторите на адаптация към хранителната среда. По това време микроорганизмите просто свикват с новите условия. Не се наблюдава бактериален растеж.
- Втората фаза (експоненциална) се характеризира с увеличаване на геометрична прогресия(нарастване по експоненциална крива). През този период бактериалните клетки активно растат, използвайки цялата налична храна (максимална скорост на растеж). След като достигне определен размер, бактерията започва да се дели и процесът на възпроизвеждане протича с постоянна скорост, тъй като все още има достатъчно хранителни запаси. В резултат на повишената скорост на растеж и размножаване в околната среда се натрупват отпадъчни продукти (токсини). Към края на фазата скоростта на растеж започва да намалява.
- Третата фаза се характеризира със стационарен растеж, т.е. броят на "новородените" клетки съвпада с броя на мъртвите. Кривата на растеж и възпроизводство вече не се повишава в този сегмент. Темпът на растеж се забавя. За известно време общият брой на бактериите в хранителната среда остава непроменен. Въпреки това, поради появата на нови „членове на семейството“, запасите от хранителни вещества намаляват и токсичността на околната среда се увеличава. Този процес влошава условията на живот на цялата колония.
- Четвъртата фаза - смъртта на микроорганизмите - възниква в резултат на катастрофално намаляване на храната и увеличаване на токсичността на околната среда. Броят на живите организми постоянно намалява; в крайна сметка има по-малко жизнеспособни клетки от техните мъртви двойници.
Скоростта на кинетичен растеж на бактериална колония до голяма степен зависи от вида на бактериите, състава на хранителната среда, броя на клетките, засети (въведени в средата), възрастта на културата, метода на дишане и редица други фактори. Например, за размножаването на млечнокисели бактерии е важно да се поддържат температури в доста тесен диапазон (25-30⁰C) и определено ниво на киселинност на околната среда (pH). За възпроизвеждането на аеробни и анаеробни клетки решаващ фактор е наличието или отсъствието на кислород за дишане, а спорообразуващите клетки се нуждаят достатъчно количествохрана.
Условия за отглеждане на микроби в изкуствена среда
За изследване (медицина, микробиология) и употреба (индустрия) бактериалните култури се отглеждат върху изкуствени хранителни среди, които се разделят според консистенцията, произхода и предназначението:
- течни, полутечни и плътни (твърди) изкуствени среди;
- среди от животински, растителен или синтетичен произход (химически чисти съединения в строго определена концентрация);
- конвенционални (универсални), диференциални (различават се по вид бактерии), специални, селективни или обогатителни среди (потискащи растежа на нежелани микроби).
Има бактерии, които изискват специални условия. Например, анаеробни микроорганизми (както спорообразуващи, така и неспорообразуващи) се култивират при анаеробни условия (без кислород). За аеробните клетки кислородът става решаващ фактор за възпроизводството. Факултативните анаероби са в състояние да променят начина, по който дишат в зависимост от условията. Спорообразуващите аеробни организми, използвани за производството на пробиотици, са много чувствителни към намаленото хранене и неговото качество. Спорообразуващите анаероби изискват пълно отсъствиекислород. Основният принцип на култивиране на микроорганизми е създаването благоприятни условия(хранене, дишане, температура), което понякога създава определени затруднения.
По този начин, за отглеждане на анаероби, се използва методът на дълбоко засяване, т.е. бактериална култура се въвежда в дълбините на плътна хранителна среда, химикали, които абсорбират кислород, се добавят към атмосферата на растеж или въздухът се изпомпва, заменяйки го с инертен газ. В случай на спорообразуващи бактерии, към хранителната среда се добавя инхибитор на протеиновия синтез, като по този начин спира процеса на спорулация.
Култивиране на микроорганизми
Култивирането се отнася до изкуствен растеж на клетки при контролирани условия. Крайната цел е да се получи биологичен продукт от бактерии или с помощта на бактерии. Такива лекарства могат да бъдат терапевтични, диагностични или профилактични. Има няколко метода за отглеждане:
- Стационарният метод се характеризира с постоянна среда; няма намеса в процеса. Въпреки това, при този метод на култивиране в течни хранителни среди, анаеробните организми дават незначителен добив.
- Методът на дълбоко култивиране се използва в индустрията за отглеждане на бактериална биомаса. За тази цел се използват специални контейнери. Факторите на растеж включват поддържане на температурата и доставка на хранителни вещества към течната среда. Освен това, ако е необходимо, се извършва разбъркване или подаване на кислород (за дишане на аеробни бактерии).
- Методът на поточната среда (промишлено култивиране) се основава на постоянно поддържане на културата във фаза на експоненциален растеж. Това се постига чрез непрекъснато въвеждане на хранителни вещества и отстраняване на токсичните отпадъци от клетките. Тази технология дава възможност да се постигне максимален добив от различни биологични активни вещества(антибиотици, витамини и др.).
Един от най-важните индустриални препарати е културата на млечнокисели бактерии, които се използват за приготвяне на млечни закваски, кисело зеле, силажиране на фуражи и производство на заместител на кръвната плазма. За получаване на гарантиран краен резултат е необходимо да се контролира стриктно качеството на получените млечнокисели бактерии.
Необходима е подходяща хранителна среда и препарат с чиста култура от млечнокисели бактерии, отгледани в лабораторни условия. След това процесът на култивиране остава до настъпване на третата фаза (равновесие), след което може да започне събирането на „реколтата“ от млечнокисели бактерии.
Синдром на бактериален свръхрастеж
Растежът на бактериалните клетки не винаги е полезен; прекомерното увеличаване на бактериалните популации в човешкото тяло може да бъде опасно за здравето. Нарушаването на качествения и количествения състав на чревната микрофлора се нарича клиничен синдром на бактериален свръхрастеж. Лекарите казват, че използването на термина "дисбактериоза" за описание на този процес не е напълно правилно. Факт е, че броят на полезните за тялото анаеробни бактерии (бифидобактерии) всъщност намалява, но броят на опортюнистични клетки (например аеробни Е. coli) се увеличава.
Различни бактерии живеят в различни части на стомашно-чревния тракт. В тънките черва, докато напредвате, съставът на микрофлората и броят на микроорганизмите постепенно се променя. Аеробните (растящи в кислород) видове бактерии постепенно отстъпват място на анаеробни (безкислородна среда). При клиничния синдром на свръхрастеж бактериалният спектър се измества към грам-отрицателни (най-патогенни), факултативни аеробни и анаеробни организми.
С наближаването на дебелото черво броят на анаеробните бактерии (бифидобактерии и бактероиди) се увеличава. Основните представители на анаеробната микрофлора - бифидобактериите - са отговорни за синтеза на протеини, витамини от група В, различни киселини и други вещества, необходими за живота. Аеробните микроорганизми (Escherichia coli) произвеждат редица витамини и киселини, които участват в храносмилането и поддържат имунитета.
Млечнокисели бактерии са друг представител на чревната микрофлора. Те принадлежат към микроаерофилните организми, т.е. един от факторите за растеж и размножаване на млечнокисели бактерии е кислородът, но в много малки количества. Тези микроорганизми са отговорни за регулирането на киселинността на стомашно-чревния тракт, като по този начин потискат растежа на гнилостните бактерии.
Всеки вид бактерии изпълнява своя собствена, ясно определена функция. При синдрома на свръхрастеж фекалната микрофлора, която обикновено живее в дебелото черво (Е. coli или анаеробни клетки), навлиза в тънките черва. Количественият и качествен състав на бактериалната микрофлора се променя, изпълнението на определени функции се забавя или става невъзможно. Създават се условия за растеж и размножаване на патогенни бактерии.
Клинични критерии на заболяването
Критериите за развитие на синдром на бактериален свръхрастеж могат да бъдат:
- лошо храносмилане, намален имунитет, промени в стомашната киселинност;
- нарушение на целостта на чревния тракт;
- последствия от операция;
- заболявания на стомашно-чревния тракт;
- стрес;
- неконтролирана употреба на антибиотични лекарства.
Клиничните прояви на синдрома на бактериален свръхрастеж лесно се бъркат с други заболявания, те често се припокриват, напълно изкривявайки картината. Диагнозата в такива случаи може да се постави само с помощта на специални тестове, насочени към идентифициране на синдрома на свръхрастеж, определяне не само на броя, но и на видовете бактерии. Този подход ще ви позволи да изберете необходимите лекарства за коригиране на състава на микрофлората.
Клинични симптоми на заболяването:
- в ранен стадий на заболяването се появяват диария и метеоризъм;
- подуване на корема и спазми;
- умора, слабост;
- бърза загуба на тегло.
Антибактериалните лекарства се използват за лечение на синдрома на свръхрастеж. В бъдеще ще са необходими пробиотични и пребиотични препарати за възстановяване на микрофлората.
Голямо разнообразие от бактериални клетки (автотрофи и хетеротрофи, аеробни и анаеробни, спорообразуващи и неспорообразуващи и т.н.) диктува определени условия за тяхното размножаване. Основният принцип на отглеждане в индустриален мащаб– строг контрол на условията на околната среда и скоростта на растеж. В природата рядко съществуват идеални среди за развитие на микроорганизми. В противен случай бактериите отдавна биха запълнили цялото налично пространство.
Растеж и размножаване
Терминът "растеж" се отнася до увеличаването на цитоплазмената маса на отделна клетка или група бактерии в резултат на синтеза на клетъчен материал (например протеин, РНК, ДНК). След като достигне определен размер, клетката спира да расте и започва да се размножава.
Размножаването на микробите означава способността им да се възпроизвеждат, да увеличават броя на индивидите в единица обем. С други думи, можем да кажем: размножаването е увеличаване на броя на индивидите в микробната популация.
Бактериите се възпроизвеждат предимно чрез просто напречно делене (вегетативно размножаване), което се случва в различни равнини, с образуването на разнообразни комбинации от клетки (грозд - стафилококи, вериги - стрептококи, връзки по двойки - диплококи, бали, торби - сарцини, и т.н.). Процесът на разделяне се състои от няколко последователни етапа. Първият етап започва с образуването на напречна преграда в средната част на клетката (фиг. 6), първоначално състояща се от цитоплазмена мембрана, която разделя цитоплазмата на майчината клетка на две дъщерни клетки. Паралелно с това се синтезира клетъчна стена, образуваща пълноценна преграда между двете дъщерни клетки. По време на процеса на бактериално делене важно условиепредставлява репликация (удвояване) на ДНК, която се осъществява от ензимите ДНК полимерази. Когато ДНК се удвоява, водородните връзки се разкъсват и се образуват две спирали на ДНК, всяка от които се намира в дъщерните клетки. След това дъщерните едноверижни ДНК възстановяват водородните връзки и отново образуват двойноверижни ДНК.
Репликацията на ДНК и клетъчното делене се извършват с определена скорост, присъща на всеки вид микроб, която зависи от възрастта на културата и естеството на хранителната среда. Например скоростта на растеж на E. coli варира от 16 до 20 минути; при Mycobacterium tuberculosis разделянето става само след 18-20 часа; Клетките от тъканна култура на бозайници изискват 24 часа. Следователно бактериите от повечето видове се размножават почти 100 пъти по-бързо от клетките на тъканната култура.
Процесът на размножаване на микробна култура върху несменяема среда протича неравномерно. Той определя четири основни фази.
1. Началната фаза (лаг фаза) или фаза на почивка.По това време културата се адаптира към хранителната среда. В микробната клетка се увеличава съдържанието на РНК и с нейна помощ се синтезират необходимите ензими.
2. Експоненциална (логаритмична) фазасе характеризира с максимално увеличение на клетките в културата, възниква в геометрична прогресия (1, 2.4, 8, 16, 256 и т.н.). По това време по-голямата част от клетките в околната среда са млади и биологично активни. В края на фазата, когато средата е изчерпана, необходимите за даден микроб вещества изчезват, количеството кислород намалява, настъпва увеличаване на метаболитните продукти - растежът на културата се забавя. Кривата постепенно придобива хоризонтална посока.
3. Стационарна фаза,или период на падеж, се представя графично чрез линия, която върви успоредно на оста x. Съществува равновесие между броя на новообразуваните и мъртвите клетки. Количеството среда намалява, плътността на клетките в популацията се увеличава, токсичният ефект на метаболитните продукти се увеличава - всичко това причинява клетъчна смърт.
4. Фаза на умиране.В тази фаза се наблюдава не само намаляване, но и промяна в клетките. Появяват се деградирали форми, както и спори. След няколко седмици или месеци културата умира. Това се случва, защото токсичните отпадъчни продукти не само инхибират, но и убиват микробните клетки.
Така благодарение на метаболитните процеси се поддържа жизнената активност микробна клетка. Аеробите изискват кислород за дишане; анаеробите използват нитратно и сулфатно дишане и ферментация. Микроорганизмите усвояват органични и неорганични веществаот външната среда, чрез окисляване на която те получават необходимата енергия и пластични елементи. В резултат на това се получава клетъчен растеж. След като достигне необходимия етап на зрялост, клетката се размножава чрез просто делене. В процеса на своята жизнена дейност микроорганизмите постепенно консумират хранителни вещества, освобождавайки техните метаболити в околната среда, като по този начин променят състава на околната среда и я правят неподходяща за живот.
Жизнената активност на бактериите се характеризира с растеж- образуването на структурни и функционални компоненти на клетката и увеличаването на самата бактериална клетка, както и възпроизводство- самовъзпроизвеждане, водещо до увеличаване на броя на бактериалните клетки в популацията.
Бактериите се размножаватчрез двойно делене на половина, по-рядко чрез пъпкуване. Актиномицетите, подобно на гъбите, могат да се размножават чрез спори. Актиномицетите, като разклонени бактерии, се размножават чрез фрагментиране на нишковидни клетки. Грам-положителните бактерии се делят чрез врастване на синтезирани делителни прегради в клетката, а грам-отрицателните чрез свиване, в резултат на образуването на дъмбеловидни фигури, от които се образуват две еднакви клетки.
Клетъчното делене се предхожда отрепликация на бактериалната хромозома по полуконсервативен тип (двуверижната ДНК верига се отваря и всяка верига се допълва от комплементарна верига), което води до удвояване на ДНК молекулите на бактериалното ядро - нуклеоида.
Репликацията на ДНК протича в три етапа: иницииране, удължаване или растеж на веригата и прекъсване.
Размножаване на бактерии в течна хранителна среда.Бактериите, засети в определен, непроменен обем на хранителната среда, размножавайки се, консумират хранителни вещества, което впоследствие води до изчерпване на хранителната среда и спиране на растежа на бактериите. Култивирането на бактерии в такава система се нарича партидно култивиране, а културата се нарича партидно култивиране. Ако условията на култивиране се поддържат чрез непрекъснато подаване на свежа хранителна среда и изтичане на същия обем културална течност, тогава такова култивиране се нарича непрекъснато, а културата се нарича непрекъсната.
При отглеждане на бактерии върху течна хранителна среда се наблюдава дънен, дифузен или повърхностен (под формата на филм) растеж на културата. Растежът на периодична култура от бактерии, отглеждани върху течна хранителна среда, се разделя на няколко фази или периоди:
1. лаг фаза;
2. логаритмична фаза на растеж;
3. стационарна фаза на растеж или максимална концентрация
бактерии;
4. фаза на бактериална смърт.
Тези фази могат да бъдат изобразени графично под формата на сегменти от крива на бактериален растеж, отразяваща зависимостта на логаритъма на броя на живите клетки от времето на тяхното култивиране.
Лаг фаза- периодът между засяването на бактериите и началото на размножаването. Продължителността на лаг фазата е средно 4-5 часа. В същото време бактериите се увеличават по размер и се подготвят за делене; количеството на нуклеинови киселини, протеини и други компоненти се увеличава.
Логаритмична (експоненциална) фаза на растеже период на интензивно бактериално делене. Продължителността му е около 5-6 часа. При оптимални условия на растеж бактериите могат да се делят на всеки 20-40 минути. През тази фаза бактериите са най-уязвими, което се обяснява с високата чувствителност на метаболитните компоненти на интензивно растящата клетка към инхибиторите на протеиновия синтез, нуклеинови киселинии т.н.
След това идва стационарната фаза на растеж, при което броят на жизнеспособните клетки остава непроменен, съставлявайки максималното ниво (М-концентрация). Продължителността му се изразява в часове и варира в зависимост от вида на бактериите, техните характеристики и култивиране.
Фазата на смърт завършва процеса на растеж на бактериите., характеризиращ се със смъртта на бактериите при условия на изчерпване на източниците на хранителна среда и натрупване на бактериални метаболитни продукти в нея. Продължителността му варира от 10 часа до няколко седмици. Интензивността на растежа и размножаването на бактериите зависи от много фактори, включително оптималния състав на хранителната среда, окислително-възстановителния потенциал, рН, температура и др.
Размножаване на бактерии върху твърда хранителна среда.Бактериите, растящи върху плътни хранителни среди, образуват изолирани колонии с кръгла форма с гладки или неравни ръбове (S- и R-форми), с различна консистенция и цвят в зависимост от пигмента на бактериите.
Водоразтворимите пигменти дифундират в хранителната среда и я оцветяват. Друга група пигменти са неразтворими във вода, но разтворими в органични разтворители. И накрая, има пигменти, които са неразтворими нито във вода, нито в органични съединения.
Най-често срещаните пигменти сред микроорганизмите са каротините, ксантофилите и меланините. Меланините са неразтворими черни, кафяви или червени пигменти, синтезирани от фенолни съединения. Меланините, заедно с каталазата, супероксид мутазата и пероксидазите, защитават микроорганизмите от ефектите на токсичните радикали на кислородния пероксид. Много пигменти имат антимикробни, подобни на антибиотици ефекти.
Възпроизвеждането на бактерии чрез делене е най-често срещаният метод за увеличаване на размера на микробната популация. След разделянето бактериите растат до първоначалния си размер, което изисква определени вещества (растежни фактори).
Методите за размножаване на бактериите са различни, но повечето от техните видове имат форма на безполово размножаване чрез делене. Бактериите рядко се размножават чрез пъпкуване. Сексуалното размножаване на бактериите е налице в примитивна форма.
ориз. 1. Снимката показва бактериална клетка в етап на делене.
Генетичен апарат на бактериите
Генетичният апарат на бактериите е представен от една ДНК - хромозома. ДНК е затворена в кръг. Хромозомата е локализирана в нуклеотид, който няма мембрана. Бактериалната клетка съдържа плазмиди.
Нуклеоид
Нуклеоидът е аналог на ядрото. Намира се в центъра на клетката. Съдържа ДНК, носител на наследствена информация в сгъната форма. Развитата ДНК достига дължина до 1 мм. Ядреното вещество на бактериалната клетка няма мембрана, ядро или набор от хромозоми и не се дели чрез митоза. Преди да се раздели, нуклеотидът се удвоява. По време на деленето броят на нуклеотидите се увеличава до 4.
ориз. 2. Снимката показва бактериална клетка в разрез. В централната част се вижда нуклеотид.
Плазмиди
Плазмидите са автономни молекули, сгънати в пръстен от двойноверижна ДНК. Тяхната маса е значително по-малка от масата на нуклеотида. Въпреки факта, че плазмидната ДНК кодира наследствена информация, те не са жизненоважни и необходими за бактериалната клетка.
ориз. 3. На снимката е показан бактериален плазмид.
Етапи на разделяне
След достигане на определен размер, характерен за възрастна клетка, се задействат механизми за делене.
репликация на ДНК
Репликацията на ДНК предхожда клетъчното делене. Мезозомите (гънките на цитоплазмената мембрана) задържат ДНК, докато процесът на делене (репликация) завърши.
Репликацията на ДНК се осъществява с помощта на ензими ДНК полимерази. По време на репликацията водородните връзки в двойноверижната ДНК се разкъсват, което води до образуването на две едноверижни дъщерни ДНК от една ДНК. Впоследствие, когато дъщерните ДНК заемат мястото си в отделените дъщерни клетки, те се възстановяват.
Веднага след като репликацията на ДНК завърши, в резултат на синтеза се появява стесняване, което разделя клетката наполовина. Първо, нуклеотидът претърпява разделяне, след това цитоплазмата. Синтезът на клетъчната стена завършва деленето.
ориз. 4. Схема на делене на бактериална клетка.
Обмяна на ДНК участъци
При Bacillus subtilis процесът на репликация на ДНК завършва с размяна на две ДНК секции.
След клетъчното делене се образува мост, през който ДНК на една клетка преминава в друга. След това двете ДНК са преплетени. Някои участъци от двете ДНК се слепват. В местата на адхезия ДНК сегментите се обменят. Една от ДНК преминава по джъмпера обратно в първата клетка.
ориз. 5. Вариант на обмен на ДНК при Bacillus subtilis.
Видове деления на бактериални клетки
Ако клетъчното делене е преди процеса на разделяне, тогава се образуват многоклетъчни пръчици и коки.
При синхронно клетъчно делене се образуват две пълноценни дъщерни клетки.
Ако нуклеотидът се дели по-бързо от самата клетка, тогава се образуват мултинуклеотидни бактерии.
Методи за разделяне на бактерии
Деление чрез разбиване
Разделянето чрез разрушаване е характерно за антраксните бацили. В резултат на това делене клетките се разпадат в точките на свързване, разрушавайки цитоплазмените мостове. След това те се отблъскват, образувайки вериги.
Плъзгащо се разделение
При плъзгащо се разделяне, след разделянето клетката се отделя и сякаш се плъзга по повърхността на друга клетка. Този методотделянето е характерно за някои форми на Escherichia.
Сплит сплит
При секущо деление една от разделените клетки със свободния си край описва дъга от кръг, чийто център е точката на контакта й с друга клетка, образувайки римска пета или клиновидна форма (Corynebacterium diphtheria, Listeria).
ориз. 6. На снимката се виждат пръчковидни бактерии, образуващи вериги (антраксен бацил).
ориз. 7. Снимката показва плъзгащ метод за отделяне на E. coli.
ориз. 8. Методът на разделяне на коринебактериите.
Тип бактериални клъстери след разделяне
Клъстерите от делящи се клетки имат различни форми, които зависят от посоката на равнината на делене.
Глобуларни бактерииподредени един по един, два по два (диплококи), в пакети, във вериги или като чепки грозде. Пръчковидни бактерии - във вериги.
Спираловидни бактерии- хаотично.
ориз. 9. Снимката показва микрококи. Те са кръгли, гладки и бели, жълти и червени на цвят. В природата микрококите са повсеместно разпространени. Те живеят в различни кухини на човешкото тяло.
ориз. 10. На снимката има бактерии диплококус - Streptococcus pneumoniae.
ориз. 11. Снимката показва бактерията Sarcina. Кокоидните бактерии се групират заедно в пакети.
ориз. 12. Снимката показва бактерията стрептококи (от гръцки “streptos” - верига). Подредени във вериги. Те са причинители на редица заболявания.
ориз. 13. На снимката бактериите са "златни" стафилококи. Подредени като „чепки грозде“. Гроздовете са златисти на цвят. Те са причинители на редица заболявания.
ориз. 14. На снимката навитите бактерии Leptospira са причинителите на много заболявания.
ориз. 15. Снимката показва пръчковидни бактерии от рода Vibrio.
Скорост на бактериално делене
Скоростта на делене на бактериите е изключително висока. Средно една бактериална клетка се дели на всеки 20 минути. Само за един ден една клетка образува 72 поколения потомство. Mycobacterium tuberculosis се дели бавно. Целият процес на разделяне им отнема около 14 часа.
ориз. 16. Снимката показва процеса на делене на стрептококови клетки.
Сексуално размножаване на бактерии
През 1946 г. учените откриват половото размножаване в примитивна форма. В този случай не се образуват гамети (мъжки и женски репродуктивни клетки), но някои клетки обменят генетичен материал ( генетична рекомбинация).
В резултат на това се получава трансфер на гени спрежение- еднопосочно пренасяне на част от генетичната информация във формата плазмидипри контакт с бактериални клетки.
Плазмидите са малки ДНК молекули. Те не са свързани с хромозомния геном и са способни да се удвояват автономно. Плазмидите съдържат гени, които повишават устойчивостта на бактериалните клетки към неблагоприятни условия на околната среда. Бактериите често предават тези гени една на друга. Отбелязва се и трансфер на генетична информация към бактерии от друг вид.
При липсата на истински сексуален процес конюгацията играе огромна роля в обмена на полезни характеристики. Така се предава способността на бактериите да проявяват лекарствена резистентност. Прехвърлянето на резистентност към антибиотици между популациите, причиняващи болести, е особено опасно за човечеството.
ориз. 17. Снимката показва момента на конюгация на две E. coli.
Фази на развитие на бактериалната популация
При посяване върху хранителна среда развитието на бактериалната популация преминава през няколко фази.
Начална фаза
Началната фаза е периодът от момента на засяване до израстването им. Средно началната фаза продължава 1 - 2 часа.
Фаза на забавяне на размножаването
Това е фазата на интензивен бактериален растеж. Продължителността му е около 2 часа. Зависи от възрастта на посева, периода на адаптация, качеството на хранителната среда и др.
Логаритмична фаза
По време на тази фаза има пик в скоростта на размножаване и увеличаване на бактериалната популация. Продължителността му е 5-6 часа.
Фаза на отрицателно ускорение
По време на тази фаза се наблюдава спад в скоростта на възпроизводство, броят на делящите се бактерии намалява и броят на мъртвите бактерии се увеличава. Причината за отрицателното ускорение е изчерпването на хранителната среда. Продължителността му е около 2 часа.
Стационарна максимална фаза
По време на стационарната фаза се отбелязва равен брой мъртви и новообразувани индивиди. Продължителността му е около 2 часа.
Фаза на ускоряване на смъртта
По време на тази фаза броят на мъртвите клетки прогресивно нараства. Продължителността му е около 3 часа.
Логаритмична смъртна фаза
По време на тази фаза бактериалните клетки умират с постоянна скорост. Продължителността му е около 5 часа.
Фаза на намаляване на скоростта
По време на тази фаза останалите живи бактериални клетки влизат в латентно състояние.
ориз. 18. Фигурата показва кривата на растеж на бактериална популация.
ориз. 19. На снимката колония от Pseudomonas aeruginosa е синьо-зелена, колония от микрококи е жълта, колония от Bacterium prodigiosum е кървавочервена, а колония от Bacteroides niger е черна.
ориз. 20. На снимката се вижда колония от бактерии. Всяка колония е потомство на една клетка. В една колония броят на клетките е милиони. Колонията нараства за 1 - 3 дни.
Раздел на магнитно чувствителните бактерии
През 70-те години на миналия век са открити бактерии, живеещи в моретата, които имат чувство за магнетизъм. Магнетизмът позволява на тези удивителни същества да се движат по линии магнитно полеЗемята и да намери сяра, кислород и други вещества, от които се нуждае толкова много. Техният "компас" е представен от магнитозоми, които се състоят от магнит. При делене магнитно чувствителните бактерии разделят своя компас. В този случай стеснението по време на деленето става очевидно недостатъчно, така че бактериалната клетка се огъва и прави рязка фрактура.
ориз. 21. Снимката показва момента на делене на магнитно чувствителна бактерия.
Бактериален растеж
Когато една бактериална клетка започне да се дели, две ДНК молекули се придвижват към противоположните краища на клетката. След това клетката се разделя на две равни части, които се отделят една от друга и се увеличават до първоначалния си размер. Скоростта на делене на много бактерии е средно 20 - 30 минути. Само за един ден една клетка образува 72 поколения потомство.
По време на процеса на растеж и развитие маса от клетки бързо абсорбира хранителни вещества от околната среда. Това се улеснява от благоприятни фактори на околната среда - температурни условия, достатъчни количества хранителни вещества и необходимото pH на околната среда. Аеробните клетки изискват кислород. Опасен е за анаероби. В природата обаче не се среща неограничено размножаване на бактерии. Слънчевата светлина, сухият въздух, липсата на храна, високата температура на околната среда и други фактори имат пагубен ефект върху бактериалната клетка.
ориз. 22. Снимката показва момента на клетъчно делене.
Фактори на растежа
За растежа на бактериите са необходими определени вещества (растежни фактори), някои от които се синтезират от самата клетка, други идват от околната среда. Нуждата от растежни фактори е различна за всички бактерии.
Необходимостта от растежни фактори е постоянна характеристика, което прави възможно използването им за идентифициране на бактерии, приготвяне на хранителни среди и използването им в биотехнологиите.
Бактериални растежни фактори (бактериални витамини) - химически елементи, повечето от които са водоразтворими витамини от група В. Тази група включва също хемин, холин, пуринови и пиримидинови бази и други аминокиселини. При липса на растежни фактори възниква бактериостаза.
Бактериите използват растежни фактори в минимални количества и непроменени. Редете химикалиТази група е част от клетъчните ензими.
ориз. 23. Снимката показва момента на делене на пръчковидна бактерия.
Най-важните бактериални растежни фактори
- Витамин В1 (тиамин). Участва в метаболизма на въглехидратите.
- Витамин В2" (рибофлавин). Участва в редокс реакции.
- Пантотенова киселинае компонент на коензим А.
- Витамин В6 (пиридоксин). Участва в метаболизма на аминокиселините.
- Витамини В12(кобаламините са вещества, съдържащи кобалт). Приеми активно участиев синтеза на нуклеотиди.
- Фолиева киселина. Някои от неговите производни са част от ензими, които катализират синтеза на пуринови и пиримидинови бази, както и някои аминокиселини.
- Биотин. Участва в азотния метаболизъм, а също така катализира синтеза на ненаситени мастни киселини.
- Витамин РР(никотинова киселина). Участва в окислително-възстановителните реакции, образуването на ензими и метаболизма на липидите и въглехидратите.
- витамин H(пара-аминобензоена киселина). Той е растежен фактор за много бактерии, включително тези, обитаващи човешките черва. Фолиевата киселина се синтезира от пара-аминобензоена киселина.
- Gemin. Той е съставна част на някои ензими, които участват в окислителни реакции.
- Холин. Участва в реакциите на липидния синтез на клетъчната стена. Той е доставчик на метилова група в синтеза на аминокиселини.
- Пуринови и пиримидинови бази(аденин, гуанин, ксантин, хипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Веществата са необходими главно като компоненти на нуклеиновите киселини.
- Аминокиселини. Тези вещества са компоненти на клетъчните протеини.
Изискване за растежни фактори на някои бактерии
АуксотрофиЗа да осигурят живот, те изискват доставка на химикали отвън. Например, клостридиите не са в състояние да синтезират лецитин и тирозин. Стафилококите изискват доставка на лецитин и аргинин. Стрептококите изискват доставка на мастни киселини - компоненти на фосфолипидите. Коринебактериите и шигелите изискват никотинова киселина. Стафилококус ауреус, пневмококи и бруцела изискват витамин В1. Стрептококи и тетаничен бацил - в пантотенова киселина.
Прототрофисамостоятелно синтезират необходимите вещества.
ориз. 24. Различните условия на околната среда имат различен ефект върху растежа на бактериалните колонии. Вляво има постоянен растеж под формата на бавно разширяващ се кръг. Вдясно има бърз растеж под формата на „издънки“.
Изследването на нуждата на бактериите от растежни фактори позволява на учените да получат голяма микробна маса, така необходима при производството на антимикробни лекарства, серуми и ваксини.
Прочетете повече за бактериите в статиите:
Бактериалната пролиферация е механизъм за увеличаване на броя на микробните популации. Бактериалното делене е основният метод на размножаване. След разделянето бактериите трябва да достигнат размер на възрастни. Бактериите растат чрез бързо абсорбиране на хранителни вещества от околната среда. Растежът изисква определени вещества (растежни фактори), някои от които се синтезират от самата бактериална клетка, а други идват от околната среда.
Изучавайки растежа и размножаването на бактериите, учените непрекъснато откриват полезни свойствамикроорганизми, чието използване в ежедневиетои в производството се ограничава само от техните свойства.