Размножение микроорганизмов

Бактерии, как и все живые организмы, размножаются. Проис­ходит это чаще всего путем простого поперечного деления в раз­личных плоскостях. При этом образуются разнообразные сочетания клеток: парные соединения, одиночные клетки, гроздья, цепочки, пакеты и др.

Некоторые микроорганизмы размножаются спорообразовани­ем (актиномицеты и грибы) и почкованием (дрожжи), у некоторых микроорганизмов наблюдается половое размножение, но большин­ство из них размножается бесполым (вегетативным) путем. При благоприятных условиях размножение протекает с необыкновен­ной быстротой - каждые 20-30 минут материнская бактериальная клетка делится на две дочерние. Дочерняя клетка со временем становится материнской и также делится. Таким образом, деление бактерий идет в геометрической прогрессии. Если бы такое деле­ние шло беспрепятственно, то через 48 часов одна бактерия могла бы дать потомство в сотни биллионов клеток, а через пять дней такую массу, которая заполнила бы собой бассейны всех морей и океанов. Однако этого не происходит, поскольку на микроорганиз­мы действуют различные факторы окружающей среды.

Делению клетки предшествует равномерное увеличение об­щего азота, РНК и белка в цитоплазме. Затем происходит реплика­ция (удвоение) ДНК. В делящейся клетке между спиралями ДНК разрываются водородные связи и образуются одиночные дочер­ние спирали ДНК (рис.25).

Рис. 25. Процесс бинарного деления па­лочковидных прокариот

1 - образование одиночных спиралей ДНК;

2 - удвоение (репликация) ДНК;

3 -вытягивание клетки;

- формирование перегородки;

4 - окончание формирования перего­родки и образование выпуклой клеточной стенки;

5 -разделение клеток.

Сразу после репликации ДНК начинается вытяжение клетки и образование поперечной перегородки за счет двух слоев цитоплазматической мембраны, выпячивающейся навстречу друг другу. Чаще всего перегородка образуется посередине материнской клетки, в результате чего дочерние клетки имеют примерно одинако­вые размеры. Между слоями перегородки идет формирование кле­точной стенки.

Одиночная спираль ДНК в новых клетках служит матрицей для создания второй спирали, в результате чего образуется двой­ная спираль ДНК с восстановленными водородными связями и формируется новый нуклеоид.

В процессе размножения одна из половин клетки постоянно сохраняет жгутики. На конечном этапе размножения бактерий жгу­тики вырастают и у другой половины.

Рост и размножение микроорганизмов зависит от различных факторов окружающей среды и видовых характеристик. Наблюде­ние за развитием микроорганизмов, культивируемых в жидкой пи­тательной среде в замкнутых резервуарах, показывает, что для роста биомассы необходимы наличие источника энергии, присут­ствие компонентов, необходимых для синтеза биомассы, отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток, поддержание в среде необходимых физико-химических условий. В этих условиях рост микроорганизмов условно можно подразделить на несколько последовательных фаз или периодов (рис. 26):

Рис. 26. Типичная кривая роста популяции микроорганизмов 1 - лаг-фаза;

2 - фаза ускоренного роста; 3 - фаза логарифмического (экспоненциального) роста;

4 - фаза замедления роста; 5 - фаза стационар­ного роста; 6 - фаза старения и отмирания.

1. лаг-фаза (англ. lag - запаздывание) - период между посевом бактерий и началом размножения. В этот период происходит адап­тация бактериальной культуры к питательной среде. Она проявля­ется в накоплении оптимального количества необходимых фермен­тов, в инактивации некоторого ингибитора, присутствующего в сре­де, в прорастании спор и др. При благоприятных условиях бактерии увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Лаг-фаза мо­жет длиться от 10 минут до нескольких часов, но в среднем она составляет 4-5 часов.

2. Фаза ускоренного роста наблюдается после лаг-фазы и характеризуется нарастанием темпов деления микроорганизмов и накопления биомассы.

3. Фаза логарифмического или экспоненциального роста явля­ется периодом наиболее интенсивного деления бактерий. Бактерии делятся каждые 20-40 минут. Во время этой фазы бактерии осо­бенно ранимы, что объясняется высокой чувствительностью рас­тущих клеток к факторам окружающей среды. Продолжительность экспоненциального роста зависит от концентрации питательных ве­ществ в субстрате и в среднем составляет 5-6 часов.

4. Фаза замедления роста является переходным периодом от экспоненциального роста к фазе стационарного роста. Во время этой фазы наблюдается истощение питательных веществ субстрата и накопление в нем продуктов метаболизма, что снижает интенсив­ность размножения микроорганизмов.

5. Фаза стационарного роста вызывается постепенным исто­щением среды, накоплением в ней литических ферментов, хими­ческим ингибированием роста микробной клетки продуктами ме­таболизма. Эта фаза отличается от предыдущей повышенной со­противляемостью бактерий многим химическим и физическим фак­торам. К началу этой фазы количество жизнеспособных клеток достигает максимального уровня и остается на этом максимуме в течение нескольких часов в зависимости от вида микроорганизмов и особенностей их культивирования. В конце этой фазы у некоторых микроорганизмов наблюдается процесс спорообразования.

6. Завершающая фаза процесса размножения - фаза старения и гибели - характеризуется отмиранием бактерий из-за истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма. Наблюдается автолиз микроорганизмов как экстремальное прояв­ление нестабильности клетки после прекращения роста. Продол­жительность этой фазы может составлять от нескольких часов до нескольких недель.