Quanto velocemente i microbi si moltiplicano. Come si moltiplicano i batteri? Condizioni per la crescita dei microbi in ambienti artificiali

Le cellule, come ogni organismo vivente, nascono, vivono e muoiono. La crescita e la riproduzione dei batteri avviene molto rapidamente; essi potrebbero occupare tutto lo spazio vitale del pianeta se non fosse per la loro fragilità e fattori limitanti (temperatura, livello di acidità, mancanza di cibo, ecc.). In condizioni favorevoli, il raddoppio delle celle richiede in media circa mezz'ora. Tuttavia, in situazioni critiche, alcuni tipi di microrganismi (batteri sporigeni) sono in grado di formare spore e di “ibernare” per un periodo abbastanza lungo.

La rapida proliferazione dei batteri ha i suoi pro e i suoi contro. L'utilizzo di microrganismi in biotecnologia (lieviti, acido lattico, organismi azotofissatori, muffe, ecc.) è finalizzato al miglioramento della qualità della vita. Tuttavia, la crescita incontrollata di microbi patogeni (patogeni) è pericolosa per l’uomo. Anche la microflora di una persona può nuocere alla salute. In medicina esiste il concetto di sindrome da proliferazione batterica, in cui il numero di microbi opportunistici nel corpo umano aumenta notevolmente, il che rappresenta una minaccia per la salute.

Dove tutto ha inizio

La crescita e la riproduzione cellulare sono due processi diversi. La crescita si riferisce ad un aumento della massa cellulare dovuto alla formazione di tutte le strutture cellulari. La riproduzione è un aumento del numero di cellule in una colonia. Esistono la fissione binaria, il germogliamento e la ricombinazione genetica (un processo che ricorda la riproduzione sessuale).

La maggior parte delle cellule procariotiche (non nucleari), a cui appartengono tutti i batteri, si riproducono dividendosi in due (fissione binaria). In questo modo, ad esempio, si riproducono i batteri lattici. Il processo inizia con il raddoppio del cromosoma batterico (una molecola di DNA che sostituisce il nucleo) e procede in più fasi:

• la cellula si allunga;
• il guscio esterno “cresce” verso l'interno e forma una partizione trasversale (restrizione);
• due nuove cellule (figlie) si muovono in direzioni diverse.

Il risultato sono due organismi identici.

I singoli microrganismi si dividono per gemmazione, ma questa è piuttosto un'eccezione alla regola generale. Il processo consiste nella formazione di una breve sporgenza in uno dei poli della cellula, nella quale “deriva” una delle metà del nucleoide diviso (molecole di DNA con informazioni genetiche). La protuberanza poi cresce e si separa dalla cellula madre.

Esiste un'altra opzione che ricorda la riproduzione sessuale: la ricombinazione genetica. In questo caso vengono scambiate informazioni genetiche e il risultato è una cellula contenente i geni dei suoi genitori. Esistono tre modi per trasferire le informazioni genetiche:

• coniugazione – trasferimento diretto (non scambio) di una parte di DNA al contatto da un batterio a un altro (il processo avviene solo in una direzione);
• trasduzione – trasferimento di un frammento di DNA utilizzando un batteriofago (virus batterico);
• trasformazione – assorbimento dell’informazione genetica di cellule morte o distrutte dall’ambiente.

Pertanto, solo come risultato della fissione binaria e del germogliamento si ottengono cellule identiche tra loro. Durante la ricombinazione genetica, la cellula subisce cambiamenti, sviluppando nuove proprietà e acquisendo altre funzioni.

Velocità e fasi di crescita dei microrganismi

Nei mezzi nutritivi, la crescita e la riproduzione dei batteri avviene in più fasi, variando nella quantità di cibo disponibile e nell'accumulo di prodotti di scarto:

1. La prima fase (latente) è determinata da fattori di adattamento al mezzo nutritivo. In questo momento, i microrganismi si stanno appena abituando alle nuove condizioni. Non si osserva crescita batterica.
2. La seconda fase (esponenziale) è caratterizzata da una crescita in progressione geometrica (aumento lungo una curva esponenziale). Durante questo periodo, le cellule batteriche crescono attivamente, utilizzando tutto il cibo disponibile (tasso di crescita massimo). Dopo aver raggiunto una certa dimensione, il batterio inizia a dividersi e il processo di riproduzione procede a velocità costante, poiché ci sono ancora abbastanza scorte di cibo. Come risultato dell’aumento del tasso di crescita e riproduzione, i prodotti di scarto (tossine) si accumulano nell’ambiente. Verso la fine della fase, il tasso di crescita inizia a diminuire.
3. La terza fase è caratterizzata da una crescita stazionaria, ovvero il numero di cellule “neonate” coincide con il numero di quelle morte. La curva di crescita e riproduzione in questo segmento non sale più. Il tasso di crescita sta rallentando. Per qualche tempo, il numero totale di batteri nel mezzo nutritivo rimane invariato. Tuttavia, a causa dell’emergere di nuovi “membri della famiglia”, le riserve di nutrienti diminuiscono e la tossicità dell’ambiente aumenta. Questo processo peggiora le condizioni di vita dell’intera colonia.
4. La quarta fase - la morte dei microrganismi - si verifica a seguito di una catastrofica diminuzione del cibo e di un aumento della tossicità dell'ambiente. Il numero di organismi viventi è in costante diminuzione; alla fine, ci sono meno cellule vitali rispetto alle loro controparti morte.

Il tasso di crescita cinetica di una colonia batterica dipende in gran parte dal tipo di batteri, dalla composizione dei mezzi nutritivi, dal numero di cellule seminate (introdotte nel mezzo), dall'età della coltura, dal metodo di respirazione e da un numero di altri fattori. Ad esempio, per la riproduzione dei batteri lattici, è importante mantenere la temperatura in un intervallo abbastanza ristretto (25-30⁰C) e un certo livello di acidità dell'ambiente (pH). Per la riproduzione delle cellule aerobiche e anaerobiche, il fattore decisivo è la presenza o l'assenza di ossigeno per la respirazione, e le cellule spore necessitano di una quantità sufficiente di cibo.

Condizioni per la crescita dei microbi in ambienti artificiali

Per lo studio (medicina, microbiologia) e l'uso (industria), le colture batteriche vengono coltivate su terreni nutritivi artificiali, suddivisi in base alla consistenza, all'origine e allo scopo:

• mezzi artificiali liquidi, semiliquidi e densi (solidi);
• mezzi di origine animale, vegetale o sintetica (composti chimicamente puri in una concentrazione rigorosamente definita);
• terreni convenzionali (universali), differenziali (differiscono per tipo di batteri), speciali, selettivi o di arricchimento (che sopprimono la crescita di microbi indesiderati).

Ci sono batteri che richiedono condizioni speciali. Ad esempio, i microrganismi anaerobici (sia sporigeni che non sporigeni) vengono coltivati ​​in condizioni anaerobiche (senza ossigeno). Per le cellule aerobiche l'ossigeno diventa il fattore decisivo per la riproduzione. Gli anaerobi facoltativi sono in grado di cambiare il modo in cui respirano a seconda delle condizioni. Gli organismi aerobici sporigeni utilizzati per produrre probiotici sono molto sensibili alla nutrizione ridotta e alla sua qualità. Gli anaerobi sporigeni richiedono la completa assenza di ossigeno. Il principio fondamentale della coltivazione dei microrganismi è la creazione di condizioni favorevoli (nutrizione, respirazione, temperatura), che a volte presenta alcune difficoltà.

Pertanto, per far crescere gli anaerobi, viene utilizzato il metodo della semina profonda, ovvero una coltura batterica viene introdotta nelle profondità di un mezzo nutritivo denso, sostanze chimiche che assorbono ossigeno vengono aggiunte all'atmosfera di crescita o l'aria viene pompata fuori, sostituendola con un gas inerte. Nel caso dei batteri sporigeni, al mezzo nutritivo viene aggiunto un inibitore della sintesi proteica, che arresta così il processo di sporulazione.

Coltivazione di microrganismi

La coltivazione si riferisce alla crescita artificiale delle cellule in condizioni controllate. L'obiettivo finale è ottenere un prodotto biologico dai batteri o con l'aiuto dei batteri. Tali farmaci possono essere terapeutici, diagnostici o profilattici. Esistono diversi metodi di coltivazione:

1. Il metodo stazionario è caratterizzato da un ambiente costante; non vi è alcuna interferenza nel processo. Tuttavia, con questo metodo di coltivazione in mezzi nutritivi liquidi, gli organismi anaerobici danno una resa insignificante.
2. Il metodo di coltivazione profonda viene utilizzato nell'industria per coltivare la biomassa batterica. A questo scopo vengono utilizzati contenitori speciali. I fattori di crescita sono il mantenimento della temperatura e la fornitura di nutrienti ai mezzi liquidi. Inoltre, se necessario, viene effettuata l'agitazione o l'apporto di ossigeno (per la respirazione dei batteri aerobici).
3. Il metodo flow media (coltivazione industriale) si basa sul mantenimento costante della coltura nella fase di crescita esponenziale. Ciò si ottiene mediante la continua introduzione di nutrienti e la rimozione dei rifiuti tossici dalle cellule. Questa tecnologia consente di ottenere la massima resa di varie sostanze biologicamente attive (antibiotici, vitamine, ecc.).

Uno dei preparati industriali più importanti è la coltura dei batteri lattici, che vengono utilizzati per preparare il lattosio, i crauti, l'insilamento del mangime e la produzione di un sostituto del plasma sanguigno. Per ottenere un risultato finale garantito è necessario controllare rigorosamente la qualità risultante dei batteri lattici.

Hai bisogno di un mezzo nutritivo appropriato e di un preparato con una coltura pura di batteri lattici coltivati ​​in condizioni di laboratorio. Successivamente, il processo di coltivazione viene lasciato fino al raggiungimento della terza fase (equilibrio), dopo la quale si può iniziare a raccogliere la “raccolta” dei batteri lattici.

Sindrome da proliferazione batterica

La crescita delle cellule batteriche non è sempre benefica; un aumento eccessivo delle popolazioni batteriche nel corpo umano può essere pericoloso per la salute. La violazione della composizione qualitativa e quantitativa della microflora intestinale è chiamata sindrome clinica da crescita eccessiva batterica. I medici affermano che usare il termine “disbatteriosi” per descrivere questo processo non è del tutto corretto. Il fatto è che il numero di batteri anaerobici benefici per l'organismo (bifidobatteri) diminuisce effettivamente, ma aumenta il numero di cellule opportunistiche (ad esempio E. coli aerobico).

Diversi batteri vivono in diverse parti del tratto gastrointestinale. Nell'intestino tenue, man mano che si progredisce, la composizione della microflora e il numero di microrganismi cambiano gradualmente. Le specie di batteri aerobiche (che crescono in ossigeno) cedono gradualmente il posto a quelle anaerobiche (ambiente privo di ossigeno). Nella sindrome da crescita eccessiva clinica, lo spettro batterico si sposta verso organismi gram-negativi (più patogeni), aerobi e anaerobi facoltativi.

Man mano che ci si avvicina al colon, il numero di batteri anaerobici (bifidobatteri e batterioidi) aumenta. I principali rappresentanti della microflora anaerobica - i bifidobatteri - sono responsabili della sintesi di proteine, vitamine del gruppo B, vari acidi e altre sostanze necessarie per la vita. I microrganismi aerobici (Escherichia coli) producono una serie di vitamine e acidi che partecipano alla digestione e supportano l'immunità.

I batteri dell'acido lattico sono un altro rappresentante della microflora intestinale. Appartengono ad organismi microaerofili, cioè uno dei fattori di crescita e riproduzione dei batteri lattici è l'ossigeno, ma in quantità molto piccole. Questi microrganismi sono responsabili della regolazione dell'acidità del tratto gastrointestinale, inibendo così la crescita dei batteri putrefattivi.

Ogni tipo di batterio svolge una propria funzione chiaramente definita. Nella sindrome da crescita eccessiva, la microflora fecale che normalmente vive nell'intestino crasso (E. coli o cellule anaerobiche) entra nell'intestino tenue. La composizione quantitativa e qualitativa della microflora batterica cambia, l'esecuzione di alcune funzioni rallenta o diventa impossibile. Appaiono le condizioni per la crescita e la riproduzione dei batteri patogeni.

Criteri clinici della malattia

I criteri per lo sviluppo della sindrome da proliferazione batterica possono essere:

• indigestione, diminuzione dell'immunità, cambiamenti nell'acidità di stomaco;
• violazione dell'integrità del tratto intestinale;
• conseguenze dell'intervento chirurgico;
• malattie del tratto gastrointestinale;
• fatica;
• uso incontrollato di farmaci antibiotici.

Le manifestazioni cliniche della sindrome da proliferazione batterica sono facilmente confuse con altre malattie; spesso si sovrappongono tra loro, distorcendo completamente il quadro. La diagnosi in questi casi può essere fatta solo con l'aiuto di test speciali volti a identificare la sindrome da crescita eccessiva, determinando non solo il numero, ma anche le specie di batteri. Questo approccio ti consentirà di selezionare i farmaci necessari per correggere la composizione della microflora.

Sintomi clinici della malattia:

• in una fase iniziale della malattia compaiono diarrea e flatulenza;
• dolore gonfio e crampi;
• stanchezza, debolezza;
• rapida perdita di peso.

I farmaci antibatterici sono usati per trattare la sindrome da crescita eccessiva. In futuro saranno necessari preparati probiotici e prebiotici per ripristinare la microflora.

Un'ampia varietà di cellule batteriche (autotrofi ed eterotrofi, aerobiche e anaerobiche, sporigene e non sporigene, ecc.) Determina determinate condizioni per la loro riproduzione. Il principio base della coltivazione su scala industriale è il controllo rigoroso delle condizioni ambientali e del tasso di crescita. In natura raramente esistono ambienti ideali per lo sviluppo dei microrganismi. Altrimenti i batteri avrebbero da tempo riempito tutto lo spazio disponibile.

Crescita batterica- Si tratta di un aumento del numero, della massa e delle dimensioni dell'intera cellula microbica, a partire immediatamente dopo la sua divisione. La crescita è indissolubilmente legata alla riproduzione.

Riproduzione nei batteri– processo di autoriproduzione di una cellula microbica. Si inizia dividendo il DNA nucleoide in due filamenti figli, ciascuno dei quali viene poi completato da un filamento complementare, mentre la formazione di due cellule figlie avviene contemporaneamente (metodo semi-conservativo). I batteri si moltiplicano divisione trasversale un forte aumento del numero di cellule nella popolazione, il processo si ripete a intervalli regolari (da alcuni minuti a diversi giorni), essendo una caratteristica genetica individuale della specie microbica. Durante la divisione si possono formare due cellule identiche o due cellule asimmetriche (polimorfiche).

I batteri sono caratterizzati da un alto tasso di riproduzione su vari mezzi nutritivi, caratterizzato dal tempo di generazione. Questo è il tempo tra due divisioni cellulari, che passa dal momento in cui appare la cellula al momento della divisione (ad esempio, il tempo di generazione di E. coli è di 20 minuti, l'agente eziologico della tubercolosi è di 14 ore). Il tasso di riproduzione dipende dal tipo di batteri e dalle condizioni di coltivazione (composizione chimica del mezzo nutritivo, suo stato di aggregazione, pH, temperatura, aerazione, composizione del gas, presenza di nutrienti e stimolanti della crescita, ecc.). Quando i batteri si moltiplicano su terreni nutritivi solidi, si formano colonie- la progenie di una cellula, determinata visivamente su (o in) un mezzo nutritivo. Colonie isolate sono gruppi di microbi della stessa specie e, di regola, dello stesso clone.

Aspetto delle colonie in alcuni batteri può essere molto particolare, essendo tipico di alcuni microrganismi. Ad esempio, le colonie dell'agente eziologico dell'antrace sono paragonate alla “criniera di un leone” o alla “testa di una medusa”, le colonie dell'agente eziologico della peste sono simili a una “sciarpa di pizzo”, ecc.

Per caratterizzare le colonie che crescono su terreni nutritivi, vengono utilizzati numerosi parametri standard: macroscopico caratteristica .

Secondo la forma della colonia Ci sono ameboidi e rizoidi regolari, rotondi o irregolari, che ricordano le radici degli alberi intrecciate. A seconda della dimensione, le colonie si distinguono in puntiformi (diametro inferiore a 1 mm), piccole (diametro I - 2 mm), medie (diametro 2 - 4 mm) e grandi (diametro 4 - 6 mm o più).

Colore determinato dal tipo di pigmento (bianco, giallo, rosso, ecc. - Fig. 25 - appendice). Colonie pigmentate, ad esempio, si trovano nello Staphylococcus (bianco, giallo limone o dorato), nel Sarcinus il colore del pigmento è giallo, nei batteri del genere Serratia rosso, nei funghi simili al lievito candida albicans bianco. Molti batteri patogeni non producono pigmenti; le loro colonie sono trasparenti o opalescenti.

Di consistenza Le colonie di batteri sono spesso morbide, mucose o dense, friabili. Di carattere delle regioni Ci sono bordi lisci sotto forma di una linea chiaramente definita e bordi irregolari - smerlati e ondulati. Superficie Le colonie possono essere opache o lucide con lucentezza, asciutte o bagnate, lisce o ruvide. Le colonie lisce sono contrassegnate dalla lettera S (lisce), le colonie ruvide dalla lettera R (ruvide).

Quando si coltivano batteri su un mezzo nutritivo liquido, si osserva un cambiamento sequenziale delle singole fasi nella riproduzione della popolazione batterica (Fig. 9):

1. Fase iniziale (fase di ritardo). La riproduzione cellulare non avviene; i microbi si adattano al mezzo nutritivo, aumentano di dimensioni, accumulano enzimi e inizia la replicazione del DNA. Al termine della fase inizia la lenta proliferazione dei microbi.

2. Fase esponenziale (fase logaritmica) caratterizzato da un tasso di riproduzione massimo, con il numero di batteri in aumento esponenziale.

3. Fase stazionaria, in cui esiste un equilibrio tra il numero di cellule neoformate e il numero di cellule morte.

4. Fase morente. Durante questa fase avviene la morte cellulare.

La quantità di biomassa è determinata dalla sua massa secca, nonché dal contenuto di azoto batterico, proteine, DNA e fosforo.

L'attività vitale dei batteri è caratterizzata dalla crescita- la formazione di componenti strutturali e funzionali della cellula e l'incremento della cellula batterica stessa, così come la riproduzione-- autoriproduzione, che porta ad un aumento del numero di cellule batteriche nella popolazione.

I batteri si moltiplicano per scissione binaria a metà, meno spesso per gemmazione. Gli attinomiceti, come i funghi, possono riprodursi tramite spore. Gli attinomiceti, essendo batteri ramificati, si riproducono mediante frammentazione di cellule filamentose. I batteri gram-positivi si dividono per crescita dei setti di divisione sintetizzati nella cellula e i batteri gram-negativi per costrizione, come risultato della formazione di figure a forma di manubrio, da cui si formano due cellule identiche.

La divisione cellulare è preceduta da replicazione del cromosoma batterico secondo un tipo semi-conservativo (il filamento di DNA a doppia elica si apre e ogni filamento è completato da un filamento complementare), portando al raddoppio delle molecole di DNA del nucleo batterico - il nucleoide.

La replicazione del DNA avviene in tre fasi: inizio, allungamento o crescita della catena e terminazione.

Riproduzione di batteri in un mezzo nutritivo liquido. I batteri seminati in un certo volume immutabile del mezzo nutritivo, moltiplicandosi, consumano nutrienti, che successivamente portano all'esaurimento del mezzo nutritivo e alla cessazione della crescita batterica. La coltivazione di batteri in un tale sistema è chiamata coltivazione batch e la coltura è chiamata coltura batch. Se le condizioni di coltivazione vengono mantenute mediante la fornitura continua di mezzo nutritivo fresco e il deflusso dello stesso volume di fluido di coltura, allora tale coltivazione viene chiamata continua e la coltura viene chiamata continua.

Quando i batteri vengono coltivati ​​su un mezzo nutritivo liquido, si osserva una crescita della coltura sul fondo, diffusa o superficiale (sotto forma di pellicola). La crescita di una coltura periodica di batteri coltivati ​​su un mezzo nutritivo liquido è divisa in diverse fasi o periodi:

• 1. fase di ritardo;
• 2. fase di crescita logaritmica;
• 3. fase di crescita stazionaria, o di massima concentrazione

batteri;

4. fase di morte batterica.

Queste fasi possono essere rappresentate graficamente sotto forma di segmenti di una curva di riproduzione batterica, che riflette la dipendenza del logaritmo del numero di cellule viventi dal tempo della loro coltivazione.

Fase di latenza-- il periodo compreso tra la semina dei batteri e l'inizio della riproduzione. La durata della fase di latenza è in media di 4-5 ore, durante la quale i batteri aumentano di dimensioni e si preparano a dividersi; aumenta la quantità di acidi nucleici, proteine ​​e altri componenti.

Fase di crescita logaritmica (esponenziale).è un periodo di intensa divisione batterica. La sua durata è di circa 5-6 ore e in condizioni ottimali di crescita i batteri possono dividersi ogni 20-40 minuti. Durante questa fase, i batteri sono più vulnerabili, il che si spiega con l'elevata sensibilità dei componenti metabolici di una cellula a crescita intensiva agli inibitori della sintesi proteica, agli acidi nucleici, ecc.

Poi arriva la fase di crescita stazionaria, al quale il numero di cellule vitali rimane invariato, costituendo il livello massimo (concentrazione M). La sua durata è espressa in ore e varia a seconda del tipo di batteri, delle loro caratteristiche e della coltivazione.

La fase di morte completa il processo di crescita batterica., caratterizzato dalla morte di batteri in condizioni di esaurimento delle fonti di mezzo nutritivo e dall'accumulo di prodotti metabolici batterici in esso. La sua durata varia da 10 ore a diverse settimane. L'intensità della crescita e della riproduzione batterica dipende da molti fattori, tra cui la composizione ottimale del mezzo nutritivo, il potenziale redox, il pH, la temperatura, ecc.

Riproduzione di batteri su un mezzo nutritivo solido. I batteri che crescono su terreni nutritivi densi formano colonie isolate di forma rotonda con bordi lisci o irregolari (forme S e R), di consistenza e colore variabili, a seconda del pigmento dei batteri.

I pigmenti idrosolubili si diffondono nel mezzo nutritivo e lo colorano. Un altro gruppo di pigmenti è insolubile in acqua, ma solubile in solventi organici. E infine ci sono pigmenti che non sono solubili né in acqua né in composti organici.

I pigmenti più comuni tra i microrganismi sono i caroteni, le xantofille e le melanine. Le melanine sono pigmenti insolubili neri, marroni o rossi sintetizzati da composti fenolici. Le melanine, insieme alla catalasi, alla superossido mutasi e alle perossidasi, proteggono i microrganismi dagli effetti dei radicali tossici del perossido di ossigeno. Molti pigmenti hanno effetti antimicrobici, simili agli antibiotici.

Una delle manifestazioni dell'attività vitale dei microrganismi è la loro crescita e riproduzione.

La crescita è un aumento delle dimensioni di un individuo.

La riproduzione è la capacità di un organismo di riprodursi.

Il principale metodo di riproduzione nei batteri è la divisione trasversale, che avviene su vari piani con la formazione di diverse combinazioni di cellule (grappoli, catene, balle, ecc.). Nelle cellule batteriche la divisione è preceduta dalla duplicazione del DNA materno. Ogni cellula figlia riceve una copia del DNA della madre. Il processo di divisione è considerato completo quando il citoplasma delle cellule figlie è separato da un setto. Le cellule con un setto diviso divergono a causa dell'azione degli enzimi che distruggono il nucleo del setto.

Il tasso di riproduzione batterica varia e dipende dal tipo di microbo, dall'età della coltura, dal mezzo nutritivo e dalla temperatura.

Quando si coltivano batteri in un mezzo nutritivo liquido, si osservano diverse fasi di crescita del raccolto:

1. Fase iniziale (latente): i microbi si adattano al mezzo nutritivo, le dimensioni delle cellule aumentano. Verso la fine di questa fase i batteri cominciano a moltiplicarsi.

2. Fase di crescita dell'incubazione logaritmica: si verifica una divisione cellulare intensiva. Questa fase dura circa 5 ore. In condizioni ottimali, una cellula batterica può dividersi ogni 15-30 minuti.

3. Fase stazionaria: il numero di batteri appena comparsi è uguale al numero di batteri morti. La durata di questa fase è espressa in ore e varia a seconda del tipo di microrganismo.

4. La fase morente è caratterizzata dalla morte cellulare in condizioni di esaurimento del mezzo nutritivo e dall'accumulo di prodotti metabolici di microrganismi in esso.

5h 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo settimane settimane

Se il mezzo nutritivo in cui vengono coltivati ​​i microrganismi viene rinnovato, è possibile mantenere la fase di crescita logaritmica.

Quando si moltiplicano su terreni nutritivi solidi, i batteri formano colonie tipiche di ciascuna specie microbica sulla superficie del terreno e al suo interno. Le colonie possono essere convesse o piatte, con bordi lisci o irregolari, con superficie ruvida o liscia e avere diversi colori: dal bianco al nero. Tutte queste caratteristiche (proprietà culturali) vengono prese in considerazione quando si identificano i batteri, nonché quando si selezionano le colonie per ottenere colture pure. Per sapere come ottenere una coltura pura di un particolare microrganismo è necessario leggere attentamente la parte pratica di questo capitolo.

§ 5. Formazione di pigmenti nei batteri

La formazione dei pigmenti avviene con un buon accesso all'ossigeno e una certa composizione del mezzo nutritivo. In base alla loro composizione chimica e proprietà, i pigmenti sono eterogenei e si dividono in:

Solubile in acqua (piocianine di Pseudomonas aeruginosa);

Solubile in alcool;

Insolubile in acqua;

Insolubile in acqua e alcool.

I batteri possono produrre pigmenti di diversi colori:

rosso - Serratia marcescens; crema - Staphylococcus aureus; giallo - Scifreus; blu - Pseudomonas aeruginosa, ecc.

I pigmenti batterici li proteggono dalle radiazioni ultraviolette naturali, partecipano ai processi di respirazione, alle reazioni di sintesi e hanno un effetto antibiotico.

I batteri fotogenici, cioè i batteri capaci di brillare, sono una forma unica di rilascio di energia durante i processi ossidativi. Più forte è il flusso di ossigeno, più forte è la luminosità dei batteri.

I batteri luminosi sono chiamati “fotobatteri”. Questi includono un ampio gruppo di batteri fisiologicamente simili, ma morfologicamente distinguibili (cocchi, bastoncelli, vibrioni). Sono vibrioni non sporigeni. La maggior parte delle specie di batteri luminosi sono state isolate dall'acqua di mare; non provocano marciumi e si coltivano in ambienti normali. Da alcuni batteri sono stati ottenuti estratti che emettono luce in una stanza buia, e da alcuni estratti sono stati isolati la luciferina e l'enzima luciferasi.

Un tipico rappresentante dei microbi fotogenici, il Photobacterium fosforeum, è un batterio coccoide non mobile che si sviluppa ad una temperatura di 28 °C.

Nel gruppo dei batteri fotogenici non sono state identificate specie patogene per l'uomo.

I microbi che formano aromi sono microrganismi che hanno la capacità di secernere sostanze volatili da loro prodotte nel corso della vita. Formano esteri di acetato di etile e acetato di amile.

Le proprietà aromatiche di vini, latticini, terra, fieno e altre sostanze dipendono dall'attività di alcuni tipi di microrganismi. L'aroma dei latticini, in particolare del burro, è conferito da un batterio chiamato Teiconostos cremoris.

Con l’aiuto dei microbi, il metano viene prodotto dalla fermentazione del letame, dei residui agricoli e dei rifiuti domestici, che viene utilizzato in molti paesi per il riscaldamento degli ambienti.

Le imprese industriali hanno già iniziato a produrre proteine ​​microbiche utilizzate per nutrire animali e uccelli. Con l'aiuto dei microbi è possibile ottenere vitamine, enzimi (amilasi, lattosio, penicillinasi, proteasi).

I rappresentanti patogeni producono sostanze tossiche per l'uomo e gli animali - tossine, che sono divise in 2 gruppi:

1. Esotossina: le proteine ​​​​che la cellula rilascia nell'ambiente esterno hanno proprietà immunogeniche e antigeniche pronunciate. Spesso sono costituiti da due frammenti: A e B. Il frammento B favorisce l'adesione e l'invasione. A - ha un'attività pronunciata in relazione ai sistemi interni della cellula.

2. Endossina - è strettamente associata al corpo della cellula microbica, poiché è localizzata nello strato lipopolisaccaridico della parete cellulare. L'effetto delle endossine sul corpo non è specifico. Le endossine vengono rilasciate quando le cellule microbiche vengono distrutte.

Maggiori informazioni sulle proprietà delle tossine possono essere trovate nel capitolo “Insegnare sull’infezione”.

La crescita batterica avviene come risultato di molte reazioni biochimiche interconnesse che sintetizzano il materiale cellulare. Nei batteri si distingue tra la crescita individuale di una cellula batterica e la crescita dei batteri in una popolazione.

La crescita individuale è giudicata dall’aumento delle dimensioni dei singoli individui. Il tasso di crescita dipende dalle condizioni esterne e dallo stato fisiologico della cellula stessa. In condizioni costanti, la crescita avviene a un ritmo costante. I batteri a forma di bastoncello crescono prevalentemente nella direzione dell'asse lungo; i cocchi crescono uniformemente in tutte le direzioni. Nell'intervallo tra le divisioni cellulari, i batteri sono più grandi che immediatamente dopo la divisione.

Riproduzione dei batteri

Molto spesso, i batteri si riproducono mediante fissione binaria, quando una cellula si forma in due, ciascuna delle quali si divide nuovamente. Il processo di divisione è sempre preceduto dalla replicazione del DNA (raddoppio). Esistono due tipi di divisione: divisione per costrizione (allacciatura) e utilizzando una partizione trasversale (Figura A.7).

Divisione per costrizione(costrizione) è accompagnato da un restringimento della cellula nel punto della sua divisione e tutti gli strati delle membrane cellulari prendono parte a questo processo. La sporgenza delle membrane nella cellula la restringe sempre di più e, infine, la divide in due. Questa divisione è caratteristica dei batteri gram-negativi. Divisione per formare un setto trasversale caratteristico dei batteri gram-positivi. Tuttavia in alcuni gruppi di batteri è stato notato un cambiamento nei metodi di divisione (batteri tionici, micobatteri). Nei batteri sferici si possono formare diversi setti trasversali (tetracocchi, sarcina). Gemmazione Gli ubatteri sono un tipo di fissione binaria. Questo metodo di riproduzione è caratteristico dei batteri che hanno cicli cellulari dimorfici o polimorfici. I batteri in erba sono caratterizzati dalla polarità cellulare. Alcuni batteri si riproducono utilizzando esospore (ma non endospore!), altri tramite frammenti di ife (attinomiceti). Alcuni batteri hanno villi genitali o F-bevuto.

Viene chiamato il periodo da divisione a divisione ciclo cellulare. Esistono diversi tipi di ciclo cellulare vegetativo: monomorfico- si forma un solo tipo morfologico di cellule (ad esempio bacilli), dimorfico- due tipi morfologici di cellule, polimorfico- diversi (attinomiceti). Nei cicli dimorfici e polimorfici si distinguono le cellule figlie e madri.

I batteri sono caratterizzati da un alto tasso di riproduzione. Ad esempio, in condizioni favorevoli, l'E. coli si divide ogni 20-30 minuti, ottenendo 2 72 al giorno, ovvero 72 generazioni. In condizioni che escludono la morte, questa biomassa sarà di 4720 tonnellate.Il tasso di riproduzione dipende da fattori ambientali (temperatura, condizioni nutrizionali, umidità, reazione ambientale, ecc.) e dalle caratteristiche della specie dei batteri. L'alto tasso di riproduzione dei batteri garantisce la loro conservazione sulla terra anche in condizioni di morte di massa. Le singole cellule sopravvissute si moltiplicano e partoriscono di nuovo.

Crescita dei batteri in una popolazione. Popolazione (fr. popolazione- popolazione) è un insieme di batteri della stessa specie (coltura pura) o di specie diverse (associazione mista), che si sviluppano in uno spazio limitato (ad esempio in un mezzo nutritivo). In una popolazione batterica, le cellule crescono, si riproducono e muoiono costantemente. La coltivazione di microrganismi in condizioni artificiali può essere periodica, continua e sincrona.

Coltivazione batch (stazionaria). avviene senza afflusso e deflusso del mezzo nutritivo. È caratterizzato dal classico curva di crescita dei microrganismi, in cui si distinguono fasi separate di crescita della popolazione batterica, che riflettono il modello generale di crescita e riproduzione cellulare.

Fase di latenza(Inglese) ritardo- lag) inizia dal momento in cui i batteri vengono inoculati in un mezzo nutritivo fresco. Le cellule si adattano a queste condizioni di coltura, crescono, ma non si moltiplicano; raggiungono un tasso di crescita massimo. I tassi di crescita assoluti e specifici aumentano da zero ai valori massimi possibili.

Tasso di crescita assolutoè determinato dalla relazione:

V = dx/dt , (1.1)

Dove V - aumento della biomassa o del numero di cellule, espresso in unità di massa, numero di cellule o in unità convenzionali per unità di tempo.

X- biomassa o numero di cellule;

T- tempo.

Tasso di crescita specifico determinato dalla formula:

µ = (dx/dt) ? 1/x, (1.2)

Dove µ - crescita della biomassa per unità di tempo per unità di biomassa,

X- biomassa iniziale.

La durata della fase di latenza dipende dalle caratteristiche biologiche dei batteri, dall'età della coltura, dalla quantità di inoculo, dalla composizione del mezzo nutritivo, dalla temperatura, dall'aerazione, dal pH, ecc. Alcuni batteri hanno un breve periodo di ritardo della crescita , altri hanno un lungo periodo. Più giovane è la cultura, più breve è il periodo. Quanto più la composizione del mezzo nutritivo è vicina a quella in cui sono cresciuti i microrganismi, tanto più breve è la fase di latenza. I cambiamenti nel mezzo nutritivo portano ad un cambiamento nella fase di latenza, poiché è necessario tempo per sintetizzare gli enzimi o aumentare la loro attività. Pertanto, i fattori di ritardo della crescita possono essere suddivisi in esterni (composizione del mezzo, pH, temperatura, ecc.) e interni (età della coltura). La durata della fase può variare da alcuni minuti a diverse ore e persino giorni. In questa fase μ = 0 .

Fase di registro (logaritmico, O esponenziale) è caratterizzato dal tasso massimo di divisione batterica. Il numero totale di batteri è determinato dalla formula:

N = N 0 ?2 n, (1.3)

Dove N E N0- il numero totale di celle rispettivamente alla fine della fase e all'inizio della fase;

N- il numero di generazioni, o generazioni.

Nella pratica microbiologica, per esprimere il numero totale di cellule microbiche, molto spesso non vengono utilizzati numeri assoluti (poiché raggiungono valori enormi), ma i loro logaritmi. Dopo aver preso il logaritmo dell'equazione (1.3): log N = log N 0 + n?lg2, n?lg2 = log N - log N 0, quindi il numero di generazioni è: n = (log N - log N 0)/ log2

Il tasso di riproduzione di una cellula o periodo di generazione:

g = t/n , (1.4)

Dove T - tempo;

N - numero di generazioni;

G- periodo di generazione.

Significa: g = t ?lg 2 / (log N - log N 0) (1.5)

Le equazioni di cui sopra si basano sul presupposto che nella fase logaritmica il 100% delle cellule sia vitale. Tuttavia, è stato stabilito sperimentalmente che circa il 20% delle cellule muore anche in questa fase, quindi viene apportata una modifica alle formule fornite: invece di 2, viene preso 1,6.

La crescita esponenziale della popolazione è descritta dall’equazione:

X = X0? eμmax? T , (1.6)

Dove X E X0 - numero di cellule (o biomassa) rispettivamente alla fine e all'inizio dell'esperimento;

T- tempo di esperienza;

e- la base del logaritmo naturale;

μmassimo - tasso di crescita specifico massimo.

Durante la fase logaritmica, la maggior parte delle cellule sono fisiologicamente giovani, biochimicamente attive e anche le più sensibili a fattori ambientali sfavorevoli. In questa fase μ = max .

Fase di crescita lenta. Combina due fasi: fase di crescita lineare(μ = cost) e fase di accelerazione negativa. La fase è caratterizzata durante il periodo di crescita lineare da un tasso costante di aumento della biomassa (numero di cellule). Quindi, durante il passaggio alla fase di accelerazione negativa, il numero di cellule in divisione diminuisce. L'inizio della fase è spiegato da cambiamenti quantitativi nella composizione del mezzo nutritivo (consumo di nutrienti, accumulo di prodotti metabolici).

Fase stazionaria caratterizzato da un equilibrio tra cellule morenti e cellule neoformate. I fattori che limitano la crescita batterica nella fase precedente sono la causa della fase stazionaria. Non vi è alcun aumento della biomassa (μ = 0 ) . In questa fase si osserva la massima biomassa e il massimo numero totale di cellule. Questi valori massimi sono chiamati raccolto, O Uscita.

Fase di deperimento (morte cellulare esponenziale) è caratterizzato da una diminuzione del numero di cellule viventi, un aumento dell'eterogeneità della popolazione (compaiono cellule che non percepiscono il colorante, con debole sviluppo dello strato di mureina, ecc.). Il processo della morte prevale sulla divisione (μ< 0).

Fase di sopravvivenza caratterizzato dalla presenza di singole cellule che hanno mantenuto la vitalità per lungo tempo in condizioni di morte della maggior parte delle cellule della popolazione. Le cellule sopravvissute sono caratterizzate da una bassa attività dei processi metabolici, cambiamenti nell'ultrastruttura cellulare (citoplasma a grana fine, assenza di poliribosomi, ecc.). Le cellule sono più resistenti alle condizioni ambientali sfavorevoli.

Pertanto, durante la coltivazione stazionaria, le cellule microbiche si trovano costantemente in condizioni mutevoli: all'inizio tutti i nutrienti sono in eccesso, poi si verifica gradualmente la loro carenza, quindi le cellule vengono avvelenate dai prodotti metabolici.

Influenza dei fattori limitanti sul tasso di crescita. Per la normale crescita e sviluppo dei microrganismi, l'ambiente deve contenere i nutrienti necessari, avere il pH, la temperatura, ecc. appropriati. Vengono chiamati i fattori che limitano la crescita di un raccolto limitante. Una caratteristica della crescita di una popolazione di microrganismi è la dipendenza del tasso di crescita specifico dalla concentrazione del substrato. Questa dipendenza è espressa Equazione di Monod, che è una funzione iperbolica:

µ = µ massimo? S/(S + K S), (1.7)

Dove μ - tasso di crescita specifico ;

μmax- tasso di crescita specifico massimo;

S- concentrazione del substrato;

K S- costante di saturazione, numericamente pari alla concentrazione del substrato che fornisce una velocità di crescita corrispondente alla metà del valore di μmax.

Man mano che i nutrienti vengono consumati, l’ambiente si arricchisce di prodotti metabolici, che limitano anche la crescita del raccolto. Il caso più generale dell'influenza della concentrazione del substrato e dei prodotti metabolici sul tasso di crescita di una popolazione di microrganismi si riflette nel modello di N.D. Gerusalemme:

µ = µ massimo? S/(S + K S) ? K R / (K R + R), (1.8)

Dove R- concentrazione di prodotti metabolici;

KR- una costante numericamente uguale alla concentrazione di prodotti metabolici alla quale il tasso di crescita rallenta della metà.

L'analisi di questa equazione mostra che sotto la condizione K P >> P, quando il valore di P può essere trascurato. il tasso di crescita è limitato solo dalla concentrazione del substrato. Se S >> K S , quindi il tasso di crescita è limitato dall'accumulo di prodotti metabolici.

Coltivazione continua. Se al contenitore in cui si trova la popolazione batterica viene fornito continuamente un mezzo nutritivo fresco e allo stesso tempo viene rimosso alla stessa velocità un liquido di coltura contenente cellule batteriche e prodotti metabolici, si ottiene una coltivazione continua. Regolando la velocità del flusso del fluido è possibile controllare la crescita della popolazione batterica, ad esempio prolungando la fase logaritmica o stazionaria per il tempo necessario. La coltivazione continua viene effettuata in dispositivi speciali: chemostati e turbidostati. La coltivazione continua di microrganismi viene utilizzata per studiarne la fisiologia, la biochimica, la genetica, ecc. Ed è ampiamente utilizzata anche nell'industria microbiologica.

Culture sincrone- queste sono culture in cui per qualche tempo tutte le cellule si dividono simultaneamente (in modo sincrono) a causa della uguale disponibilità alla divisione di tutti gli individui. La sincronizzazione si ottiene con metodi fisici e chimico-biologici. I metodi fisici includono l'esposizione alla temperatura, la centrifugazione differenziale o la filtrazione differenziale, i metodi chimici e biologici includono la fame forzata dei batteri, la crescita dei batteri su terreni inferiori e il successivo trasferimento su terreni completi. Le colture sincrone vengono utilizzate per studi genetici e citologici, per studiare la sintesi dei singoli componenti cellulari durante la divisione batterica.