Рост бактериальных колоний и фазы роста бактерий

Введение

Рост бактериальных колоний

Рост бактерий – это размножение бактерии посредством деления на две дочерние клетки в процессе, называемом бинарным делением. Если не происходит мутация, полученные дочерние клетки генетически идентичны исходной клетке. Таким образом, и происходит рост бактерий. Не обязательно, чтобы обе дочерние клетки, образовавшиеся при делении, выживали. Однако, если в среднем выживает больше одной клетки, бактериальная популяция демонстрирует экспоненциальный рост. Измерение экспоненциальной кривой роста бактерий в условиях периодической культуры традиционно являлось частью подготовки всех микробиологов; для этого требуется подсчет бактерий (подсчет клеток) прямыми и индивидуальными методами (микроскопия, проточная цитометрия), прямыми и объемными методами (биомасса), косвенными и индивидуальными методами (подсчет колоний) или косвенными и объемными методами (наиболее вероятное число, мутность, потребление питательных веществ). Модели сопоставляют теорию с результатами измерений.

Фазы

В аутекологических исследованиях рост бактерий (или других микроорганизмов, таких как протозои, микроводоросли или дрожжи) в партийной культуре может быть смоделирован четырьмя различными фазами: фазой задержки (A), логарифмической или экспоненциальной фазой (B), стационарной фазой (C) и фазой отмирания (D). Во время фазы задержки бактерии адаптируются к условиям роста. Это период, когда отдельные бактерии созревают и еще не способны к делению. В течение фазы задержки цикла роста бактерий происходит синтез РНК, ферментов и других молекул. В течение фазы задержки клетки мало изменяются, поскольку не размножаются сразу в новой среде. Этот период, характеризующийся незначительным или отсутствующим делением клеток, называется фазой задержки и может длиться от 1 часа до нескольких дней. В течение этой фазы клетки не находятся в состоянии покоя. Логарифмическая фаза (иногда называемая логарифмической фазой или экспоненциальной фазой) – это период, характеризующийся удвоением клеток. Количество новых бактерий, появляющихся за единицу времени, пропорционально существующей популяции. Если рост не ограничен, удвоение будет продолжаться с постоянной скоростью, поэтому и количество клеток, и скорость увеличения популяции удваиваются с каждым последовательным периодом времени. Для такого экспоненциального роста построение графика натурального логарифма числа клеток в зависимости от времени дает прямую линию. Уклон этой линии – удельный темп роста организма, который является мерой количества делений на клетку в единицу времени. Однако экспоненциальный рост не может продолжаться бесконечно, поскольку среда вскоре истощается питательными веществами и обогащается продуктами жизнедеятельности. Стационарная фаза часто обусловлена фактором, ограничивающим рост, таким как истощение необходимого питательного вещества и/или образование ингибирующего продукта, например, органической кислоты. Стационарная фаза возникает в ситуации, когда скорость роста и скорость отмирания равны. Количество новых клеток, образующихся, ограничено лимитирующим фактором роста, и в результате скорость роста клеток соответствует скорости гибели клеток. Это приводит к "гладкой", горизонтальной линейной части кривой во время стационарной фазы. Мутации могут возникать во время стационарной фазы. Bridges и др. (2001) представили доказательства того, что повреждение ДНК является причиной многих мутаций, возникающих в геномах бактерий, находящихся в стационарной фазе или в состоянии голода. Эндогенно генерируемые активные формы кислорода, по-видимому, являются основным источником таких повреждений. Их экспоненциальный рост часто не является постоянным, а, наоборот, медленно снижается, представляя собой постоянный стохастический ответ на факторы, стимулирующие как размножение, так и переход в состояние покоя в условиях снижения концентрации питательных веществ и увеличения концентрации продуктов жизнедеятельности. Уменьшение числа бактерий может даже стать логарифмическим. Следовательно, эта фаза роста также может называться отрицательной логарифмической или отрицательной экспоненциальной фазой роста. В конце логарифмической фазы партийной культуры может быть индуцирована компетентность к естественной генетической трансформации, как у Bacillus subtilis и других бактерий. Естественная генетическая трансформация – это форма передачи ДНК, которая, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК. Партийная культура – наиболее распространенный лабораторный метод культивирования, используемый для изучения роста бактерий, но это лишь один из многих. В идеале она пространственно неструктурирована и временно структурирована. Бактериальная культура инкубируется в закрытом сосуде с одной партией среды. В некоторых экспериментальных режимах часть бактериальной культуры периодически удаляется и добавляется в свежую стерильную среду. В крайнем случае это приводит к постоянному обновлению питательных веществ. Это химиостат, также известный как непрерывная культура. В идеале он пространственно неструктурирован и временно неструктурирован, находясь в стационарном состоянии, определяемом скоростью поступления питательных веществ и ростом бактерий. По сравнению с партийной культурой, бактерии поддерживаются в экспоненциальной фазе роста, и скорость роста бактерий известна. К родственным устройствам относятся турбидостаты и ауксостаты. Когда Escherichia coli растет очень медленно, с удвоением за 16 часов в химиостате, большинство клеток имеют одну хромосому. Обеспечивая стерильной дистиллированной водой поддержание объема и осмолярности, аэробно культивируемые культуры можно поддерживать при плотности около 106 колониеобразующих единиц (КОЕ) на мл в течение более 5 лет без добавления питательных веществ в партийной культуре.

In autecological studies, the growth of bacteria (or other microorganisms, as protozoa, microalgae or yeasts) in batch culture can be modeled with four different phases: lag phase (A), log phase or exponential phase (B), stationary phase (C), and death phase (D). During lag phase, bacteria adapt themselves to growth conditions. It is the period where the individual bacteria are maturing and not yet able to divide. During the lag phase of the bacterial growth cycle, synthesis of RNA, enzymes and other molecules occurs. During the lag phase cells change very little because the cells do not immediately reproduce in a new medium. This period of little to no cell division is called the lag phase and can last for 1 hour to several days. During this phase cells are not dormant. The log phase (sometimes called the logarithmic phase or the exponential phase) is a period characterized by cell doubling. The number of new bacteria appearing per unit time is proportional to the present population. If growth is not limited, doubling will continue at a constant rate so both the number of cells and the rate of population increase doubles with each consecutive time period. For this type of exponential growth, plotting the natural logarithm of cell number against time produces a straight line. The slope of this line is the specific growth rate of the organism, which is a measure of the number of divisions per cell per unit time. Exponential growth cannot continue indefinitely, however, because the medium is soon depleted of nutrients and enriched with wastes. The stationary phase is often due to a growth limiting factor such as the depletion of an essential nutrient, and/or the formation of an inhibitory product such as an organic acid. Stationary phase results from a situation in which growth rate and death rate are equal. The number of new cells created is limited by the growth factor and as a result the rate of cell growth matches the rate of cell death. The result is a “smooth,” horizontal linear part of the curve during the stationary phase. Mutations can occur during stationary phase. Bridges et al. (2001) presented evidence that DNA damage is responsible for many of the mutations arising in the genomes of stationary phase or starving bacteria. Endogenously generated reactive oxygen species appear to be a major source of such damages.) and their exponential phase growth is often not ever a constant rate, but instead a slowly decaying rate, a constant stochastic response to pressures both to reproduce and to go dormant in the face of declining nutrient concentrations and increasing waste concentrations. The decrease in number of bacteria may even become logarithmic. Hence, this phase of growth may also be called as negative logarithmic or negative exponential growth phase. Near the end of the logarithmic phase of a batch culture, competence for natural genetic transformation may be induced, as in Bacillus subtilis and in other bacteria. Natural genetic transformation is a form of DNA transfer that appears to be an adaptation for repairing DNA damages. Batch culture is the most common laboratory growth method in which bacterial growth is studied, but it is only one of many. It is ideally spatially unstructured and temporally structured. The bacterial culture is incubated in a closed vessel with a single batch of medium. In some experimental regimes, some of the bacterial culture is periodically removed and added to fresh sterile medium. In the extreme case, this leads to the continual renewal of the nutrients. This is a chemostat, also known as continuous culture. It is ideally spatially unstructured and temporally unstructured, in a steady state defined by the rates of nutrient supply and bacterial growth. In comparison to batch culture, bacteria are maintained in exponential growth phase, and the growth rate of the bacteria is known. Related devices include turbidostats and auxostats. When Escherichia coli is growing very slowly with a doubling time of 16 hours in a chemostat most cells have a single chromosome. By providing sterile distilled water to maintain volume and osmolarity, aerobically grown cultures can be maintained at densities of ~106 colony forming units (CFUs) per ml for more than 5 years without the addition of nutrients in batch culture.

Экологические условия

Факторы окружающей среды влияют на скорость роста бактерий, такие как кислотность (pH), температура, активность воды, макро- и микроэлементы, уровень кислорода и токсины. Условия роста обычно относительно стабильны для разных бактерий, за исключением экстремофилов. Бактерии имеют оптимальные условия для роста, в которых они хорошо развиваются, но выход за эти пределы может привести к замедлению или остановке роста, состоянию покоя (например, образованию спор) или гибели. Поддержание субоптимальных условий роста является ключевым принципом консервирования пищевых продуктов.

Кислота

Оптимальная кислотность для бактерий обычно находится в пределах pH 6,5–7,0, за исключением ацидофилов. Некоторые бактерии способны изменять pH, например, выделяя кислоту, что приводит к неоптимальным условиям.

Токсичные соединения

Токсичные соединения, такие как этанол, могут замедлять рост или уничтожать бактерии. Это используется с пользой для дезинфекции и в целях консервации пищевых продуктов.