Рост бактерий в бактериальной популяции
Популяция — совокупность бактерий одного вида или нескольких видов (смешанная ассоциация), которые развиваются в ограниченном пространстве в закрытой или замкнутой системе. Культивирование м/о в закрытой системе — периодическое культивирование. Развиваясь в закрытой системе, популяция м/о ведет себя как многоклеточный организм, имеющий генетическое ограничение роста.
Рост бактерий в бактериальной популяции можно представить в виде графика, в котором можно показать зависимость числа клеток от времени (кривая роста).
В кривой можно выделить несколько фаз.
1. Лаг-фаза (начальная). Количество клеток не изменяется. В этот период идет адаптация клеток к тем условиям, в которые они были помещены. Клетки синтезируют индуцибельные ферменты, с помощью которых клетки утилизируют источники питания. Длительность фазы зависит от возраста (молодые клетки растут быстрее), биологических особенностей культуры, полноценности питательной среды.
2. Фаза задержки размножения. Скорость размножения не велика.
3. Фаза логарифмического роста. Самая максимальная скорость размножения. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии.
Зная n и t, можно узнать время одной генерации:
Константа скорости размножения:
Иногда встречаются 2 лаг- и лог-фазы (диауксия, которая связана с тем, что в ПС могут находиться 2 источника питания, например, глюкоза и сорбит и м/о сначала будут утилизировать глюкозу).
4. Фаза отрицательного ускорения. Замедление размножения клеток.
5. Фаза стационарного роста. Скорость роста равна скорости отмирания клеток, то есть количество клеток не увеличивается.
Причиной отмирания является истощение питательных компонентов, изменение рН среды, накопление продуктов метаболизма и т.д. Количество клеток, которое культура достигает в стационарной фазе — макимальное. Это количество клеток называется урожаем.
Определяется объемом среды, плотностью или количеством клеток и условиями культивирования.
Фаза ускоренной гибели.
Скорость отмирания больше, чем скорость размножения, но она не достигает максимума.
7. Стадия логарифмической гибели. Культура либо погибает, либо переходит в состояние анабиоза.
В промышленном масштабе используют непрерывное культивирование при сохранении полной стерильности систему делают открытой. Вносят питательные компоненты и убирают продукты метаболизма. Это необходимо для того чтобы поддерживать культуру в определенной стадии роста.
Например: а/к, которая продуцируется м/о в логарифмической фазе роста. Можно регулировать состояние путем контроля плотности клеток, и путем потребления основных источников углерода и азота. Если происходит контроль развития культуры по плотности, то культуру выращивают в турбидостатах, если по источнику питания — хемостата.
Получение синхронных культур
Синхронные культуры — совокупность клеток, которые делятся одновременно за счет одинаковой готовности к росту и делению всех клеток.
Методы синхронизации культуры
Можно использовать центрифугирование, чтобы отделить крупные клетки от мелких. Химико-биологический метод — вынужденное голодание клеток на неполноценных средах с последующим переносом их на полноценные ПС. Культура начинает синхронно делится. Используется в научных исследованиях.
Участие м/о в круговороте веществ в природе
- углерода;
- водорода;
- азота;
- серы;
- фосфора;
- железа.
Круговорот азота
Принимают участие растения и животные.
1. Амонификсация — это гидролиз белков с выделением аммиака. Этому процессу подвергаются все останки. Осуществляется гнилостными м/о р. Proteus, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium. Мощные протеолитические ферменты расщепляют белки (экзоферменты).
Существует 7 типов дезаминирования:
1) гидролитическое дезаминирование (с участием воды, конечный продукт — аммиак);
2) гидролитическое дезаминирование с декарбоксилированием (конечные продукты — аммиак, углекислый газ, спирт);
3) восстановительное дезаминирование (продукты — аммиак и жирные кислоты);
4) восстановительное дезаминирование с декарбоксилированием (продукты — аммиак, углекислый газ, низкомолекулярные углевдороды);
5) окислительное дезаминирование карбоновых кислот (аммиак);
6) дезаминирование с образованием двойных связей (аммиак и ненасыщенные кислоты);
7) окислительно-восстановительная реакция между двумя а/к (масляная кислота и аммиак).
В процессе гниения белков выделяются трупные яды — индол, скотол, β-меркаптан и др. Аммонификации подвергается мочевина (под действием уреазы).
Мочевая кислота подвергается гидролизу, расщепляется на мочевину и тартроновую кислоту.
Есть м/о, которые расщепляют хитин хитиназой. Хитирн расщепляется на глюкозу, уксусную кислоту и аммиак.
2. Нитрификация. Окисление аммонийных солей до солей азотистой кислоты (до нитритов) при участии Nitrosomonas.
При помощи м/о р. Nitrobacter:
Значение: хорошо нитраты усваиваются растениями, входят в структуру белков. Нитраты довольно легко вымываются из почвы и попадают в водоемы.
3. Часть нитратов восстанавливается м/о до молекулярного азота — денитрификация. Это процесс, при котором связанный азот удаляется из почвы и воды с высвобождением газообразного азота в атмосферу. В зависимости от м/о, которые принимают участие различают: прямую и косвенную денитрификацию.
Прямая — осуществляется м/о, которые восстанавливают нитраты, используя их в качестве акцепторов в дыхательной цепи. При этом нитраты образовывают газообразный азот и воду.
Косвенная — реакция восстановления, которая происходит пи взаимодействии нитритов с амино соединениями с образованием газообразного азота и воды.
М/о принадлежит косвенная роль, так как они образуют продукты участвуют в реакции.
За счет этих процессов пополняется содержание азота в атмосфере, но при этом азот из почвы уходит (негативная сторона процесса).
4. Азотфиксация. Осуществляется биологическим и небиологическим путем. Последний связан с работой двигателей внутреннего сгорания — 0,5%. Биологическое осуществляется с помощью м/о — до 99,5%. Разрыв тройной связи требует больших затрат энергии. Осуществляется свободноживущими азотфиксаторами — Azotobacter, цианобактерии, некоторые актиномицеты, а также симбиотическими формами — Rhizobium, Bravebacterium.
Характерно:
- специфичность (бобовые растения);
М/о имеют на поверхности специальные рецепторы.
- вирулентность — м/о способны проникать в корневой волосок и достигать тетраплоидных клеток;
- активность — находясь в тетраплоидных клетках корня м/о начинают интенсивно фиксировать молекулярный азот.
Бактероид — крупная клетка, окруженная леггемоглобином (продукт м/о и растения). Леггемоглобин расщепляет бактероид от излишней концентрации кислорода, регулирует парциальное давление кислорода.
- защитная функция — предохраняет фермент нитрогеназу (участвует в фиксации азота), поскольку он чувствитлен к кислороду;
которые утилизируются и бактероидом, и растением.
Растения обеспечивают м/о органическими и неорганическими соединениями. В настоящее время б/т путем получают бактериальные удобрения на основе м/о Azotobacter.