Rakud, nagu iga elusorganism, sünnivad, elavad ja surevad. Bakterite kasv ja paljunemine on väga kiire, nad võiksid haarata kogu planeedi eluruumi, kui mitte nende hapruse ja piiravate tegurite (temperatuur, happesuse tase, toidupuudus jne) pärast. Kell soodsad tingimused rakkude kahekordistumiseks kulub keskmiselt umbes pool tundi. Kriitilistes olukordades on aga teatud tüüpi mikroorganismid (eosed moodustavad bakterid) võimelised eoseid moodustama ja üsna pikka aega "talveunestama".
Bakterite kiirel paljunemisel on oma plussid ja miinused. Mikroorganismide kasutamine biotehnoloogias (pärm, piimhape, lämmastikku siduvad organismid, hallitusseened jne) on suunatud elukvaliteedi tõstmisele. Haigust põhjustavate (patogeensete) mikroobide kontrollimatu paljunemine on aga inimesele ohtlik. Tervist võib kahjustada ka inimese enda mikrofloora. Meditsiinis on bakteriaalse ülekasvu sündroomi mõiste, mille puhul oportunistlike mikroobide arv inimkehas suureneb hüppeliselt, mis kujutab endast ohtu tervisele.
Rakkude kasv ja paljunemine on kaks erinevat protsessi. Kasvu all mõistetakse rakumassi suurenemist kõigi moodustumise tõttu rakustruktuurid. Paljunemine on rakkude arvu suurenemine koloonias. Toimuvad binaarne lõhustumine, tärkamine ja geneetiline rekombinatsioon (protsess, mis sarnaneb seksuaalne paljunemine).
Enamik prokarüootseid (mittetuuma) rakke, kuhu kuuluvad kõik bakterid, paljunevad kaheks jagunemise teel (binaarne lõhustumine). Nii paljunevad näiteks piimhappebakterid. Protsess algab bakterikromosoomi (DNA molekuli, mis asendab tuuma) dubleerimisega ja toimub mitmes etapis:
Tulemuseks on kaks identset organismi.
Üksikud mikroorganismid jagunevad tärkamise teel, kuid see on pigem erand üldreegel. Protsess seisneb selles, et raku ühel poolusel moodustub lühike eend, millesse “triivib” eraldatud nukleoidi (geneetilise informatsiooniga DNA molekulid) üks pool. Seejärel eend kasvab ja eraldub emarakust.
On veel üks võimalus, mis meenutab sugulist paljunemist – geneetiline rekombinatsioon. Sel juhul toimub geneetilise informatsiooni vahetus ja tulemuseks on rakk, mis sisaldab oma vanemate geene. Geneetilise teabe edastamiseks on kolm võimalust:
Seega saadakse üksteisega identsed rakud ainult binaarse lõhustumise ja pungade tekkimise tulemusena. Geneetilise rekombinatsiooni käigus toimub rakus muutusi, arendades uusi omadusi ja omandades muid funktsioone.
Toitekeskkonnas toimub bakterite kasv ja paljunemine mitmes etapis, mis erinevad saadaoleva toidu koguse ja jääkainete kogunemise poolest:
Bakterikoloonia kineetilise kasvu kiirus sõltub suuresti bakterite tüübist, toitekeskkonna koostisest, külvatud (söötmesse sisestatud) rakkude arvust, kultuuri vanusest, hingamismeetodist ja mitmest muud tegurid. Näiteks piimhappebakterite paljunemiseks on oluline hoida temperatuure üsna kitsas vahemikus (25-30⁰С) ja söötme teatud happesuse taset (pH). Aeroobsete ja anaeroobsete rakkude paljunemisel saab määravaks teguriks hingamiseks vajaliku hapniku olemasolu või puudumine ning eoseid moodustavad rakud vajavad piisavas koguses toitu.
Uurimiseks (meditsiin, mikrobioloogia) ja kasutamiseks (tööstus) kasvatatakse kunstlikul toitainekeskkonnal bakterikultuure, mis jaotatakse konsistentsi, päritolu ja otstarbe järgi:
On baktereid, mis nõuavad eritingimusi. Näiteks anaeroobseid mikroorganisme (nii eoseid moodustavaid kui ka mittemoodutavaid) kasvatatakse anaeroobsetes tingimustes (ilma hapnikuta). Aeroobsete rakkude jaoks saab hapnik paljunemisel otsustavaks teguriks. Fakultatiivsed anaeroobid on olenevalt tingimustest võimelised muutma oma hingamisviisi. Probiootikumide tootmiseks kasutatavad spoore moodustavad aeroobsed organismid on väga tundlikud toitumise ja kvaliteedi vähenemise suhtes. Spoore moodustavad anaeroobid nõuavad hapniku täielikku puudumist. Mikroorganismide kasvatamise põhiprintsiip on soodsate tingimuste (toitumine, hingamine, temperatuur) loomine, mis mõnikord tekitab teatud raskusi.
Niisiis kasutatakse anaeroobide kasvatamiseks sügavkülvi meetodit, st bakterikultuur viiakse tiheda toitainekeskkonna sügavusse, kasvukeskkonda lisatakse hapnikku absorbeerivaid keemilisi aineid või pumbatakse õhk välja, asendades selle inertgaasiga. Spoore moodustavate bakterite puhul viiakse toitainekeskkonda valgusünteesi inhibiitor, peatades sellega eoste moodustumise protsessi.
Kultiveerimine viitab rakkude kunstlikule kultiveerimisele kontrollitud tingimustes. Lõppeesmärk on saada bakteritest või bakterite abiga bioloogiline toode. Sellised ravimid võivad olla terapeutilised, diagnostilised, profülaktilised. Kasvatusmeetodeid on mitu:
Üks olulisemaid tööstuslikke preparaate on piimhappebakterite kultuur, millest valmistatakse piimhapet, hapukapsast, sööda sileerimist ja vereplasma aseainet. Garanteeritud lõpptulemuse saamiseks tuleb sellest tulenevat piimhappebakterite kvaliteeti rangelt kontrollida.
Teil on vaja sobivat toitekeskkonda ja preparaati, milles on laboris kasvatatud piimhappebakterite puhaskultuur. Edasi jäetakse kultiveerimisprotsess kuni kolmanda faasi (tasakaalu) alguseni, pärast mida saate hakata koguma piimhappebakterite "saaki".
Bakterirakkude kasv ei ole alati kasulik, bakterite populatsiooni liigne suurenemine inimkehas võib olla tervisele ohtlik. Soole mikrofloora kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostise rikkumist nimetatakse bakterite ülekasvu kliiniliseks sündroomiks. Arstid ütlevad, et selle protsessi kirjeldamiseks ei ole täiesti õige kasutada mõistet "düsbakterioos". Fakt on see, et organismile kasulike anaeroobsete bakterite (bifidobakterite) arv tõesti väheneb, kuid tinglikult patogeensete rakkude (näiteks aeroobse Escherichia coli) arv suureneb.
Seedetrakti erinevates osades elavad mitmesugused bakterid. Peensooles muutub liikumisel järk-järgult mikrofloora koostis ja mikroorganismide arv. Aeroobsed (hapnikukeskkonnas kasvavad) bakteriliigid annavad järk-järgult teed anaeroobsele (hapnikuvabale keskkonnale). Ülekasvu kliinilise sündroomi korral nihkub bakterite spekter gramnegatiivsete (kõige patogeensemate), fakultatiivsete aeroobsete ja anaeroobsete organismide suunas.
Jämesoole lähenedes suureneb anaeroobsete bakterite (bifidobakterid ja bakteroidid) arv. Anaeroobse mikrofloora peamised esindajad - bifidobakterid - vastutavad valkude, B-vitamiinide, erinevate hapete ja muude eluks vajalike ainete sünteesi eest. Aeroobsed mikroorganismid (E. coli) toodavad mitmeid vitamiine ja happeid, mis on seotud seedimise ja immuunsuse toetamisega.
Piimhappebakterid on veel üks soolestiku mikrofloora esindaja. Need kuuluvad mikroaerofiilsete organismide hulka, s.t piimhappebakterite kasvu ja paljunemise üheks teguriks on hapnik, kuid väga väikestes kogustes. Need mikroorganismid vastutavad seedetrakti happesuse reguleerimise eest, pärssides seeläbi putrefaktiivsete bakterite kasvu.
Iga tüüpi bakterid täidavad oma selgelt määratletud funktsiooni. Ülekasvu sündroomiga siseneb fekaalse mikrofloora, mis tavaliselt elab jämesooles (E. coli ehk anaeroobsed rakud). peensoolde. Bakteriaalse mikrofloora kvantitatiivne ja kvalitatiivne koostis muutub, teatud funktsioonide täitmine aeglustub või muutub võimatuks. On olemas tingimused patogeensete bakterite kasvuks ja paljunemiseks.
Bakteriaalse ülekasvu sündroomi väljakujunemise kriteeriumiks võib olla:
Bakterite ülekasvu sündroomi kliinilisi ilminguid on lihtne segi ajada teiste haigustega, sageli need kattuvad üksteisega, moonutades pilti täielikult. Sellistel juhtudel on diagnoos võimalik panna ainult spetsiaalsete ülekasvu sündroomi tuvastamiseks mõeldud testide abil, mis määravad mitte ainult bakterite arvu, vaid ka liigid. See lähenemisviis võimaldab teil valida mikrofloora koostise korrigeerimiseks vajalikud ravimid.
Haiguse kliinilised sümptomid:
Ülekasvu sündroomi raviks kasutatakse antibakteriaalseid ravimeid. Edaspidi on mikrofloora taastamiseks vaja probiootilisi ja prebiootilisi preparaate.
Paljud bakterirakud (autotroofid ja heterotroofid, aeroobsed ja anaeroobsed, spoore moodustavad ja mittemoodustavad jne) määravad nende paljunemiseks teatud tingimused. Tööstuslikus mastaabis kasvatamise põhiprintsiip on keskkonnatingimuste ja kasvukiiruste range kontroll. Looduses leidub harva ideaalseid keskkondi mikroorganismide arenguks. Muidu oleksid bakterid juba ammu kogu vaba ruumi täitnud.
Bakterid, nagu kõik elusorganismid, paljunevad. See juhtub kõige sagedamini lihtsa põikjaotusega erinevatel tasapindadel. Sel juhul moodustuvad mitmesugused rakkude kombinatsioonid: paarisühendused, üksikud rakud, klastrid, ahelad, paketid jne.
Mõned mikroorganismid paljunevad eoste (aktinomütseedid ja seened) ja tärkamise teel (pärm), mõned mikroorganismid paljunevad sugulisel teel, kuid enamik neist paljuneb aseksuaalselt (vegetatiivselt). Soodsates tingimustes kulgeb paljunemine erakordse kiirusega – iga 20-30 minuti järel jaguneb emabakterirakk kaheks tütarrakuks. Tütarrakk muutub lõpuks emarakuks ja samuti jaguneb. Seega toimub bakterite jagunemine eksponentsiaalselt. Kui selline jagunemine kulgeks takistamatult, siis 48 tunni jooksul võib ühest bakterist tekkida sadu miljardeid rakke ja viie päevaga selline mass, mis täidaks kõigi merede ja ookeanide basseinid. Seda aga ei juhtu, sest mikroorganisme mõjutavad erinevad keskkonnategurid.
Rakkude jagunemisele eelneb üldlämmastiku, RNA ja valgu ühtlane suurenemine tsütoplasmas. Seejärel toimub DNA replikatsioon (kahekordistumine). Jagunevas rakus katkevad DNA heeliksite vahel vesiniksidemed ja moodustuvad üksikud tütar-DNA heeliksid (joonis 25).
Riis. 25. Vardakujuliste prokarüootide binaarse lõhustumise protsess
1 - DNA üksikute ahelate moodustumine;
2 - DNA kahekordistamine (replikatsioon);
3 - raku venitamine;
Vaheseinte moodustamine;
4 - vaheseina moodustumise lõpp ja kumera rakuseina moodustumine;
5 - rakkude jagunemine.
Vahetult pärast DNA replikatsiooni algab rakkude pikenemine ja põikivaheseinte moodustumine, kuna tsütoplasmaatilise membraani kaks kihti üksteise poole eenduvad. Kõige sagedamini moodustub emaraku keskele vahesein, mille tulemusena on tütarrakud ligikaudu ühesuurused. Vaheseina kihtide vahel toimub rakuseina moodustumine.
DNA üksikheeliks uutes rakkudes toimib mallina teise spiraali loomiseks, mille tulemusena moodustub taastatud vesiniksidemetega DNA kaksikheeliks ja moodustub uus nukleoid.
Paljunemisprotsessis säilitab üks rakupool pidevalt lipulisi. Bakterite paljunemise lõppfaasis kasvavad lipud ka teises pooles.
Mikroorganismide kasv ja paljunemine sõltub erinevatest keskkonnateguritest ja liigiomadustest. Suletud mahutites vedelas toitekeskkonnas kultiveeritud mikroorganismide arengu jälgimine näitab, et biomassi kasvamiseks on vaja energiaallikat, biomassi sünteesiks vajalike komponentide olemasolu, rakkude kasvu pidurdavate inhibiitorite puudumist söötmes ja biomassi kasvu säilitamist. vajalikud füüsikalis-keemilised tingimused keskkonnas. Nendel tingimustel võib mikroorganismide kasvu tinglikult jagada mitmeks järjestikuseks faasiks või perioodiks (joonis 26):
Riis. 26. Mikroorganismide populatsiooni tüüpiline kasvukõver 1 - viivitusfaas;
2 - kiirendatud kasvu faas; 3 - logaritmilise (eksponentsiaalse) kasvu faas;
4 - kasvupeetuse faas; 5 - statsionaarse kasvu faas; 6 - vananemise ja suremise faas.
1. lag phase (inglise lag - delay) - periood bakterite külvamise ja paljunemise alguse vahel. Sel perioodil kohandub bakterikultuur toitainekeskkonnaga. See väljendub vajalike ensüümide optimaalse koguse kogunemises, mõne söötmes esineva inhibiitori inaktiveerimises, eoste idanemises jne. Soodsates tingimustes suurenevad bakterid ja valmistuvad jagunemiseks. Viivitusfaas võib kesta 10 minutist mitme tunnini, kuid keskmiselt on see 4-5 tundi.
2. Kiirendatud kasvu faasi täheldatakse pärast viivitusfaasi ja seda iseloomustab mikroorganismide jagunemise kiiruse suurenemine ja biomassi akumuleerumine.
3. Logaritmilise ehk eksponentsiaalse kasvu faas on bakterite kõige intensiivsema jagunemise periood. Bakterid jagunevad iga 20-40 minuti järel. Selles faasis on bakterid eriti haavatavad, mis on seletatav kasvavate rakkude suure tundlikkusega keskkonnategurite suhtes. Eksponentsiaalse kasvu kestus sõltub toitainete kontsentratsioonist substraadis ja on keskmiselt 5-6 tundi.
4. Aeglustusfaas on üleminekuperiood eksponentsiaalsest kasvust statsionaarsesse kasvufaasi. Selles faasis toimub substraadis toitainete ammendumine ja ainevahetusproduktide kogunemine sinna, mis vähendab mikroorganismide paljunemise intensiivsust.
5. Statsionaarset kasvufaasi põhjustab söötme järkjärguline ammendumine, söötme kuhjumine. lüütilised ensüümid, mikroobirakkude kasvu keemiline pärssimine ainevahetusproduktide poolt. See faas erineb eelmisest bakterite suurenenud resistentsuse poolest paljudele keemilistele ja füüsikalistele teguritele. Selle faasi alguseks saavutab elujõuliste rakkude arv maksimaalse taseme ja püsib sellel maksimumil mitu tundi, olenevalt mikroorganismide tüübist ja nende kasvatamise omadustest. Selle faasi lõpus kogevad mõned mikroorganismid sporulatsiooni.
6. Paljunemisprotsessi lõppfaasi - vananemise ja surma faasi - iseloomustab bakterite surm toitainekeskkonna ammendumise ja ainevahetusproduktide kuhjumise tõttu sellesse. Mikroorganismide autolüüsi peetakse rakkude ebastabiilsuse äärmuslikuks ilminguks pärast kasvu peatumist. See faas võib kesta mõnest tunnist mitme nädalani.
Kasv on mikroobiraku keemiliste komponentide arvu suurenemine. Mikroorganismide kasvu iseloomustamiseks kasutatakse bakterimassi mõistet, mida väljendatakse bakterite tihedusega (kuivmass 1 ml kohta). Mikroobide paljunemist kirjeldab bakterite arv, mis peegeldab rakkude kontsentratsiooni 1 ml-s. Bakterite arvu suurenemise ja bakterite massi vahel puudub range proportsionaalsus. See on tingitud asjaolust, et kõik rakud bakteripopulatsioonis ei ole elujõulised – osa neist on surnud, osa on elujõulised. erinevad etapid hävitamine. Osaledes bakterimassi loomises, ei osale sellised rakud bakterite edasises paljunemises. Bakterid paljunevad otsese jagunemise teel. Sel juhul tekib ahenemine või tsütoplasmaatiline membraan hakkab kasvama sissepoole, risti raku pikiteljega koos ketasraku plaadi moodustumisega.
See plaat võib mõnikord olla mittetäielik ja selle keskel on auk, mis ühendab mõlemat sõsarrakku. Seejärel kasvab rakuplaadi sisse külgsein, mis moodustab põiki vaheseina, mis jagab rakuplaadi kaheks osaks, millest igaüks läheb ühte moodustunud rakku. Keskmist ava, mida ei eralda põiki vaheseina või plaat, nimetatakse plasmodesmoseks. Plasmodesmos mängib rolli mõne bakteri rakkude ühendamisel pikkadeks ahelateks või rühmadeks. Lisaks ülaltoodule võib bakterirakkude jagunemise protsess toimuda ligeerimise teel. Bakterirakkude arv paljunemisprotsessis suureneb plahvatuslikult. Enamiku bakterite tekkeaeg on 20–30 minutit.
Bakterite kasv ja paljunemine avalduvad sõltuvalt kultiveerimistingimustest erinevalt. Tihedas toitainekeskkonnas on bakterite kasvu ja paljunemise ilming kolooniate ilmumine, mis on visuaalselt eristatavad bakterirakkude klastrid. Kolooniaid iseloomustab spetsiifiliste tunnuste kogum, mille alusel saab tuvastada bakterite puhaskultuure. Nende märkide hulka kuuluvad: suurused (suur, keskmine, väike, mikroskoopiline); kuju (ümmargune, lapik jne); värvus, sõltuvalt pigmentide moodustumisest bakterite poolt; pind (kumer, tasane, matt, läikiv jne); servade iseloom (sile, karm jne); konsistents (homogeenne, pastane, limane jne); läbipaistvus (läbipaistev, hägune).
Perioodilisel bakterites kultiveerimisel täheldatakse kasvufaaside järjestikust muutust, mida peegeldab kasvukõver (joonis 54).
Kasvuprotsess algab kasvupeetuse faasiga või viivitusfaasiga. Sel perioodil toimub bakterite intensiivne metaboolne aktiivsus, mille tulemuseks on raku ettevalmistamine kiireks paljunemiseks. Faas algab bakterite sisestamisega söötmesse. Selle kestus sõltub külvatud kultuuri vanusest (vana kultuuri juurutamisel on see pikem), söötme koostisest, temperatuurist ja muudest teguritest.
Bakteriraku kasv. Rakulise protoplasma biomassi suurenemist, mis tuleneb plastmaterjali sünteesist toitumisprotsessis, nimetatakse kasvuks. Mikroobid kasvavad kiiresti, jõudes lühikese aja jooksul oma füsioloogilise küpsuse piirini.
Raku pooldumine. Teatud küpsesse vanusesse jõudnud rakk hakkab jagunema ja toitekeskkonnas täheldatakse samaaegselt Ї kultuuri bakteripopulatsiooni suurenemist.
Rakkude jagunemisele eelneb tsütoplasmaatilise membraani moodustumine, mis tekib tavaliselt bakteriraku keskel. Rakkude jagunemise ajal toimub DNA replikatsioon. Sel juhul katkevad vesiniksidemed ja moodustub kaks DNA ahelat (heeliksit), millest igaüks esineb tütarrakkudes. Seejärel ühendatakse üheahelalised DNA-d vesiniksidemetega ja kaheahelalised DNA-d ilmuvad uuesti koos geneetilise teabega.
Rakkude jagunemine loetakse lõppenuks, kui äsja moodustunud rakud eraldatakse tsütoplasmaatilise vaheseinaga.
Paljunemine - bakterite, riketsiate, algloomade jne binaarne lõhustumine Sel juhul moodustub kaks uut isendit, kellele on antud emaraku geneetiline informatsioon. Seda paljunemismeetodit nimetatakse integraalseks ja viirused paljunevad disjunktiivselt, st nende komponentide eraldi sünteesi teel. nukleiinhape ja valk peremeesrakus.
Bakterirakud jagunevad kiiremini esialgsed etapid rahvastiku kasv. Hilisemates etappides on jagunemine aeglasem, osa emarakke sureb ja sisse teatud tüübid bakterid ilmuvad mitmesugused kandmised.
Soodsates tingimustes on bakterite paljunemise kiirus väga kõrge. Iga 15-20 minuti järel saadakse ühest kaks isendit. Mõnede teadlaste arvutuste kohaselt, kui mikroob toodab kaks isendit vaid ühe tunni jooksul, siis ööpäevas ulatub mikroobirakkude arv 16,5 miljonini.mis suudavad täita kõikide merede ja ookeanide basseinid.
Sellise paljunemise korral võiksid mikroobirakud katta mitte ainult merede ja ookeanide, vaid ka mandrite kogu pinna. Järelikult oleks inimeste elu meie planeedil võimatu. Mikroobide paljunemisel ei kehti aga absoluutne geomeetrilise progressiooni seadus. Nende kasvu ja paljunemist mõjutavad negatiivselt mikroorganismide antagonistlikud suhted, toitekeskkonna ammendumine, hapnikupuudus ja mikroobide toksiliste jääkproduktide kogunemine. Need tegurid takistavad rakkude pidevat jagunemist.
Bayle'i pikaajalised uuringud ja vaatlused on kindlaks teinud, et teatud mahus vedelas toitainekeskkonnas toimub rakkude maksimaalne areng piiratud arvuga. Samadel tingimustel määratakse 24 tunni jooksul rakkude kontsentratsioon 1 ml vedelsöötmes: E. coli ja paratüüfuse B bakterid - 1,5 miljardit, Grigorjevi düsenteeriabakterid - Shiga ja stafülokokid - 300 miljardit, kõhutüüfuse batsillid - 800 miljardit Antud arvavaldist aktsepteeritakse mikroobide M-k he kontsentratsiooniga (M maksimum). Normaalsetes kasvutingimustes on rakkude M-kotsentratsioon mikroobide kogunemise piiriks. Huvitav on märkida, et kui värskesse toitekeskkonda inokuleerida selline kogus mikroobe, mis on võrdne M-kontsentratsiooniga, siis rakkude arv ei suurene ja kui kultiveeritud mikroobide arv ületab M-kontsentratsiooni, üleliigsed surevad.
Bakterite paljunemine populatsioonis. Et mõista mikroobide paljunemise mustreid populatsioonis, uuritakse puhaskultuure. Mikroobe looduslikes ja tehistingimustes leidub aga kooslustes. Bakteripopulatsioon on bakterite kogum, mis paljunevad teatud mahus vedelas keskkonnas katseklaasis, kolvis jne. Bakterite pideva kasvu korral katseklaasis tiheda toitainekeskkonna pinnal on kõigi rakkude kogum. aastal peetakse seda üheks populatsiooniks. Eraldatud kolooniate kasvu korral võib neid kõiki pidada eraldi populatsiooniks, kuna nad ei suhtle omavahel.
Kui mikroobe kasvatatakse tihedal toitainekeskkonnal, ilmnevad nende kasvu teatud tunnused, st tekivad kolooniad, mis esindavad ühe või mitme raku järglasi. Välimus kolooniad, nende kuju, värvus, läbipaistvus, suurus ja muud omadused on igat tüüpi bakterite eristavad tunnused. Mitmed bakteriliigid, mille agaril on flagellad, annavad pideva kasvu, mis katab kogu tassi pinna (Proteus vulgaris). Sporogeensed liigid erinevad kolooniate olemuse poolest, moodustades mati pinnaga läbipaistmatuid kolooniaid.
Bakterirakkude kasvu vedelas toitainekeskkonnas iseloomustab ühtlus, mis ei kehti tiheda toitainekeskkonna puhul. Kuid isegi selle meetodi kasutamisel võib täheldada mõningaid bakterite kasvu tunnuseid. Liigid, mis moodustavad tihedal söötmel kuivi kolooniaid, annavad läbipaistvas puljongis mitmesuguseid setteid. Pehmeid ja niiskeid kolooniaid moodustavad liigid annavad üldiselt homogeense kasvu, häirides ühtlaselt toitainekeskkonda.
Vedelas keskkonnas kasvava kultuuri jaoks on õhutamine väga oluline. Teadaolevalt puutuvad katseklaasides või kolbides atmosfääriõhuga kokku ainult vedeliku ülemised kihid ja seetõttu kogunevad pinnale mõned kohustuslikud aeroobid, näiteks Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae jt. moodustades õrna kile.
Bakteripopulatsiooni kasvufaasid. 1918. aastal Bakterite paljunemise omadusi uurides pakkus Buchanan välja kõvera, mis näitab rakkude arvu igal ajaperioodil. Bakterite paljunemise dünaamikat iseloomustavad järgmised faasid, mis on tähistatud rooma numbritega.
Algfaasis (I segment) kohanevad bakterid uute elutingimustega alates hetkest, kui nad on külvatud toitainekeskkonnale. Selles faasis bakterid ei paljune. Algfaasi kestus on 1-2 tundi.
Paljunemise algfaasi (II jaotis) iseloomustavad suurenenud ainevahetusprotsessid, kasvukiirus ja rakkude jagunemine. Bakterite kasv on aga aeglane. Selle etapi kestus on 2 tundi.
Logaritmilises faasis (III segment) täheldatakse rakkude kiirenenud kasvu ja jagunemist. Selles maksimaalse paljunemise faasis moodustuvad igale bakteriliigile omased morfoloogilised, kultuurilised, biokeemilised, antigeensed ja virulentsed omadused. Etapi kestus on 5-6 tundi.
Aeglustusfaas (IV segment) toimub pärast bakterirakkude aktiivset kasvu ja paljunemist. Selleks ajaks on tingimused keskkonnas muutumas; akumuleeruvad mürgised ainevahetusproduktid, toitainetega varustatus väheneb, söötme pH ei vasta üksikute mikroobide individuaalsetele vajadustele, kuluvad vesiniku aktseptorid, energia vabanemine ja rakkude jagunemise kiirus aeglustuvad, tekkeaeg väheneb, surevate rakkude arv suureneb. Etapi kestus on 2 tundi.
Statsionaarset faasi (segment V) iseloomustab elusrakkude konstantne kontsentratsioon toitainekeskkonnas. Rakkude mõõdukas paljunemine ei too kaasa mikroobide massi suurenemist. Selles faasis luuakse tasakaal surevate ja tekkivate rakkude arvu vahel. Ї faasi kestus on 2 tundi.
Surma kiirenemise faasi (VI segment) iseloomustab paljunemise ja kiirendatud rakusurma vaheline tasakaalustamatus. See etapp kestab 4-5 tundi.
Logaritmilise surma faasis (VII segment) toimub massiline rakusurm konstantse kiirusega. Etapi kestus on umbes 5 tundi.
Surmamäära vähenemise faasi (VIII segment) iseloomustab asjaolu, et ellujäänud bakterid lähevad puhkeolekusse.
Bakterite paljunemise faasid ajas sõltuvad bakterite tüübist, toitekeskkonna kvaliteedist, selle kontsentratsioonist, temperatuurist ja õhutamisest. Seetõttu on iga faasi kestus näidatud ligikaudu. Optimaalsetes tingimustes toimub rakkude jagunemine paljudel isikutel erinev aeg nt Escherichia coli jaguneb 15-20 minuti pärast, kõhutüüfuse bakterid - 20-25 minutiga, streptokokid - 25-30 minutiga, Mycobacterium tuberculosis - 18-20 tunni pärast.
Rakusurma faasi kestus on seotud bakterite liigiomadustega. Pneumokoki surmaperiood kestab 2
3 päeva ja E. coli Ї kuud. Surmafaasis määrduvad rakud nõrgalt ja mõned neist ei taju värvaineid. Lisaks muutuvad bakterite vormid, nende biokeemiline aktiivsus ja antigeensed omadused.
Termin "kasv" tähendab mikroorganismide puhul indiviidi suuruse suurenemist ja "paljunemine" - populatsiooni isendite arvu suurenemist. Mikroobiraku kasvuga suureneb selle maht palju kiiremini kui pinnapealne, mistõttu toitainete jaotumine raku tsütoplasmas muutub vähem efektiivseks ja rakk jaguneb. Enne selle jagamist DNA molekulid dubleeritakse. Iga tütarrakk saab ema DNA koopia.
Samades tingimustes kasvatatud erinevate mikroobide paljunemiskiirus on erinev. Enamiku bakterite puhul saavad roorganismid generatsiooniperioodi (aja jooksul) kasutada väga erinevaid oksüdeeritavaid orgaanilisi ühendeid, kõige sagedamini glükoosi, millest saadakse energiat nende oksüdeerumise või täpsemalt elektronide annetamise tulemusena. .
Biokeemiliste protsesside kogumit, mille tulemusena vabaneb raku eluks vajalik energia, nimetatakse hingamiseks ehk bioloogiliseks oksüdatsiooniks. Seoses mikroorganismidega räägivad nad anaeroobsetest ja aeroobsetest hingamistüüpidest.
Kahe järjestikuse rakujagunemise vahel) on keskmiselt 15-30 minutit; näiteks Escherichia coli puhul - 15-17 minutit, kõhutüüfuse tekitajate puhul - 23 minutit, korünebakterite difteeria korral - 34 minutit. Mycobacterium tuberculosis jaguneb aeglasemalt - üks kord 18 tunni jooksul, spiroheedid - 10 tunni jooksul.
Paljunemismeetodid erinevates mikroorganismide rühmades ei ole samad: bakterid, riketsiad, spiroheedid paljunevad põiki jagunemise teel kaheks samaväärseks isendiks. Grampositiivsed bakterid jagunevad, moodustades vaheseina, mis kasvab perifeeriast keskele. Mycobacterium tuberculosis'e korral moodustub raku sees põiki vahesein, mis seejärel jaguneb kaheks kihiks ja rakk jaguneb kaheks osaks.Nii tsütoplasmaatiline membraan kui raku sein. Ilmselt osaleb mesosoom, mis on tihedalt seotud tsütoplasmaatilise membraaniga, aktiivselt bakterite jagunemise protsessis. Gramnegatiivsed bakterid ja riketsia muutuvad keskelt õhemaks ja jagunevad ahenemise teel kaheks isendiks. Sõlmebakterite ja fraicisella paljunemine toimub neeru moodustumisel, mis on oma suuruselt väiksem kui algrakk. Bakterites toimub ka konjugatsiooniprotsess – kahe isendi ajutine ühendus.
Bakterite ja spiroheetide kasvuga ei kaasne alati nende jagunemist. Sapisoolad, seebid, penitsilliin, ultraviolettkiired aeglustavad rakkude jagunemist, mille tulemusena moodustuvad pikad niidid, mis on palju suuremad kui algsed rakud.
Bakterite söötmesse viimisel eristatakse nende kasvu ja paljunemise faase, mille määravad kättesaadavate toiduallikate olemasolu ja toksiliste ainevahetusproduktide kogunemine (joonis 21).
Esimene faas – latentne (lagfaas) – vastab bakterite kohanemisele uute eksistentsitingimustega. Sel perioodil kohanevad bakterid toitainekeskkonnaga, nende kasvu ei täheldata.
Teine faas on logaritmiline kasv (eksponentsiaalne), kui bakterid kasvavad jõudsalt, suurenevad ja teatud suuruse saavutamisel hakkavad nad jagunema kaheks tütarrakuks. Jagunemine sellel perioodil toimub ühtlase kiirusega. Iga bakteritüübi keskmine genereerimise (või kahekordistumise) aeg on erinev. Sel ajal ekstraheerivad bakterid söötmest toitaineid, mille tulemusena hakkavad ainevahetusproduktid sinna kogunema.
Kolmas faas on statsionaarne kasv, mille jooksul organismide arv kultuuris jääb kogu aeg muutumatuks. Sel perioodil väheneb oluliselt toitainete hulk toitekeskkonnas, suureneb ainevahetusproduktide kogunemine. Mikroorganismide elutingimused muutuvad üha ebasoodsamaks. Statsionaarse faasi kestus on erinevate bakterite puhul erinev.
Neljas faas on surm, kui bakterirakud muutuvad väiksemaks ja nad surevad. Selle faasi lõpus hakkab surevate bakterite arv ületama elujõuliste rakkude arvu. Mikroobide täielik surm kultuuris võib toimuda mõne nädala või kuu jooksul, olenevalt mikroobi tüübist, keskkonna reaktsioonist ja muudest teguritest.
Lihtsaim saab paljuneda põiki jagunemise, kaheks samaväärseks isendiks ahenemise - amööbi ja pikisuunalise - jagunemise teel - trüpanosoomid, giardia, balantidia. Enne kaheks isendiks jagunemist saavad balantidia oma tuumad - mikrotuumad vahetada (konjugatsiooniprotsess), malaariaplasmoodiumil on aseksuaalne ja seksuaalne arengutsükkel.
Viirused paljunevad (paljunevad) ainult peremeesorganismi elusraku sees.
Viiruse paljunemisprotsess koosneb mitmest etapist:
1) viiruse tungimine rakku;
2) rakusisene paljunemine;
3) viiruse küpsemine ja väliskesta moodustumine mõnel viirusel; 4) viiruse eraldamine rakust.
Viiruse tungimise protsess tundlikku rakku algab selle adsorptsiooniga rakupinnal, millel on spetsiifilised viiruseretseptorid. Nukleiinhappe vabanemise protsess kapsiidist ja väliskestadest algab juba raku tsütoplasmaatilises membraanis ja lõpeb tsütoplasmas (gripiviirus, vaktsiinia).
Viiruse intratsellulaarse paljunemise faas või selle paljunemine algab tavaliselt raku makromolekulaarse sünteesi pärssimisega. Kõik energiasüsteemid rakud, selle ensüümid, RNA, ribosoomid hakkavad viiruse paljunemiseks tööle. Mõjutatud rakk varustab viirust nukleotiididega nukleiinhapete moodustamiseks, aminohapetega valkude jaoks. Viiruse RNA replikatsioon (inglise replikatsioon - koopia, kordamine) toimub ensüümide - polümeraaside abil ja maatriksina toimib viiruse enda RNA molekul. DNA-d sisaldavates viirustes sünteesitakse DNA matriitsil raku tuumas spetsiifiline RNA, mis seejärel määrab viiruse DNA ja valgu sünteesi. Viiruse valgud sünteesitakse raku ribosoomides.
Viiruse osakese küpsemine, viiruse nukleiinhappe järeldus kapsiidis, toimub kahjustatud raku tuumas (herpesviirused, adenoviirused) või tsütoplasmas (variola rühma viirused, rabdoviirused, pikornaviirused). Müksoviiruste, togaviiruste väliskestade moodustumine toimub peremeesraku tsütoplasmaatilise membraani läbimisel. Herpesviirus saab osa oma väliskestast läbi rakutuuma membraani.
Viiruse eraldamine rakust võib toimuda erineval viisil. Müksoviirused ja togaviirused võivad küpsedes erituda raku poolt tundide kaupa, ilma et see kahjustaks. Poliomüeliidiviirus (millel puudub välimine kest) tekib rakus kiiresti, püsib selles kaua ja vabaneb koheselt, välguna. Viiruse ja peremeesraku vahelise interaktsiooni lõpptulemus võib olla raku kiire hävimine ja surm. Mõnikord võivad viirused rakus olla pikka aega, põhjustamata selle surma, ja jääda lõpmatusse arvusse rakupõlvkondadesse – latentsete viiruste hulka. Mõnel juhul võib rakk viiruse hävitada ilma nähtavate tagajärgedeta (abortiivne viirusinfektsioon).
Mõiste "kasv" tähendab üksiku raku või bakterirühma tsütoplasmaatilise massi suurenemist rakulise materjali (nt valgu, RNA, DNA) sünteesi tulemusena. Pärast teatud suuruse saavutamist lõpetab rakk kasvu ja hakkab paljunema.
Mikroobide paljunemine tähendab nende võimet ise paljuneda, suurendada isendite arvu mahuühiku kohta. Vastasel juhul võime öelda: paljunemine on mikroobide populatsiooni isendite arvu suurenemine.
Bakterid paljunevad valdavalt lihtsa põiki lõhustumise teel ( vegetatiivne paljunemine), mis esineb erinevatel tasapindadel, koos mitmekesiste rakkude kombinatsioonide moodustumisega (viinamarjade hari - stafülokokid, ketid - streptokokid, paarisühendused - diplokokid, pallid, pakendid - sarkiinid jne). Jagamisprotsess koosneb mitmest järjestikusest etapist. Esimene etapp algab põiki vaheseina moodustumisega raku keskosas (joon. 6), mis algselt koosneb tsütoplasmaatilisest membraanist, mis jagab emaraku tsütoplasma kaheks tütarrakuks. Paralleelselt sellega sünteesitakse rakusein, mis moodustab kahe tütarraku vahel täisväärtusliku vaheseina. Bakterite jagunemise protsessis on oluliseks tingimuseks DNA replikatsioon (kahekordistumine), mida teostavad DNA polümeraasi ensüümid. DNA dubleerimisel katkevad vesiniksidemed ja moodustub kaks DNA ahelat, millest igaüks paikneb tütarrakkudes. Lisaks taastab tütar üheahelaline DNA vesiniksidemed ja moodustab taas kaheahelalise DNA.
DNA replikatsioon ja rakkude jagunemine toimub igale mikroobitüübile omase teatud kiirusega, mis sõltub kultuuri vanusest ja toitekeskkonna olemusest. Näiteks Escherichia coli kasvukiirus on vahemikus 16 kuni 20 minutit; Mycobacterium tuberculosis jaguneb alles 18-20 tunni pärast; imetajate koekultuuri raku jaoks kulub 24 tundi. Järelikult paljunevad enamiku liikide bakterid peaaegu 100 korda kiiremini kui koekultuuri rakud.
Bakterirakkude jagunemise tüübid. 1. Rakkude jagunemine on pooldumise ees, mis viib "mitmerakuliste" varraste ja kokkide moodustumiseni. 2. Sünkroonne rakkude jagunemine, mille puhul nukleoidi jagunemisega ja jagunemisega kaasneb ainuraksete organismide teke. 3. Nukleoidide jagunemine eelneb rakkude jagunemisele, põhjustades multinukleoidsete bakterite moodustumist.
Bakterite eraldumine toimub omakorda kolmel viisil: 1) jagunemise katkestamine, kui kaks üksikut rakku, mis ühenduskohas korduvalt murduvad, lõhuvad tsütoplasma silla ja tõrjuvad üksteist, moodustades nii ahelaid (siberi katku batsillid); 2) liugeraldus, mille puhul rakud pärast rakkude jagunemist eralduvad ja üks neist libiseb üle teise pinna (eraldi Escherichia vormid); 3) sekantseparatsioon, kui üks jagatud rakkudest kirjeldab oma vaba otsaga ringikaare, mille keskpunkt on selle kokkupuutepunkt teise rakuga, moodustades rooma viie või kiilkirja (corynebacterium diphtheria, l hysteria).
Bakteripopulatsiooni arengufaasid. Teoreetiliselt eeldatakse, et kui bakteritele luuakse tingimused värske toitainekeskkonna pidevaks sissevooluks ja järkjärguliseks suurenemiseks ning eritusproduktide väljavooluks, suureneb paljunemine logaritmiliselt ja surm aritmeetiliselt.
Bakteripopulatsiooni üldist kasvu- ja paljunemismustrit näidatakse tavaliselt graafiliselt kõvera kujul, mis peegeldab elusrakkude arvu logaritmi sõltuvust ajast. Tüüpiline kasvukõver on S-kujuline ja võimaldab teil eristada mitut kasvufaasi, mis järgnevad üksteisele teatud järjestuses:
1. Esialgne (statsionaarne, varjatud või puhkefaas). Näitab aega bakterite külvamisest toitainekeskkonnale kuni nende kasvuni. Selles faasis elavate bakterite arv ei suurene ja võib isegi väheneda. Algfaasi kestus on 1-2 tundi.
2. Reprodutseerimise viivituse faas. Selles faasis kasvavad bakterirakud intensiivselt, kuid paljunevad nõrgalt. Selle faasi periood kestab umbes 2 tundi ja sõltub paljudest tingimustest: kultuuri vanusest (noored kultuurid kohanevad kiiremini kui vanad); mikroobirakkude bioloogilised omadused (soolestiku rühma bakteritele on iseloomulik lühike kohanemisperiood, Mycobacterium tuberculosis'e puhul - pikk); toitekeskkonna kasulikkus, kasvutemperatuur, CO2 kontsentratsioon, pH, söötme aeratsiooniaste, redokspotentsiaal jne. Mõlemat faasi kombineeritakse sageli mõistega "lag-phase" (ing. lag - lag, delay).
3. Logaritmiline faas. Selles faasis on rakkude paljunemise kiirus ja bakteripopulatsiooni suurenemine maksimaalne. Põlvkonnaperiood (lat. generatio – sünd, paljunemine), st aeg, mis kulub kahe järjestikuse bakterite jagunemise vahel, on selles etapis antud liigi puhul konstantne ja bakterite arv hakkab eksponentsiaalselt kahekordistuma. See tähendab, et esimese põlvkonna lõpus moodustub ühest rakust kaks rakku, teise põlvkonna lõpus jagunevad mõlemad bakterid ja moodustuvad neli, saadud neljast kaheksa jne. Seetõttu n põlvkonna järel on arv rakkude kogus kultuuris on 2n. Logaritmilise faasi kestus on 5-6 tundi.
4. Negatiivse kiirenduse faas. Bakterite paljunemise kiirus lakkab olemast maksimaalne, jagunevate isendite arv väheneb ja surnute arv suureneb (kestus on umbes 2 tundi). Üks neist võimalikud põhjused, aeglustades bakterite paljunemist - toitekeskkonna ammendumist, st teatud bakteriliigile omaste ainete kadumist sellest.
5. Maksimumi statsionaarne faas. Selles on uute bakterite arv peaaegu võrdne surnute arvuga, st surnud rakkude ja äsja moodustunud rakkude vahel tekib tasakaal. See etapp kestab 2 tundi.
6. Surma kiirenduse faas. Seda iseloomustab surnud rakkude arvu järkjärguline paremus vastsündinud rakkude arvust. See kestab umbes 3 tundi.
7. Logaritmilise surma faas. Rakusurm toimub ühtlase kiirusega (kestab umbes 5 tundi).
8. Suremusmäära vähenemise faas. Rakud, mis jäävad ellu, lähevad puhkeolekusse.
