ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ. Реферат рост и питание микроорганизмов

Реферат – Питание микроорганизмов

Процесс питания микробов имеет свои особенности, сюда относятся поступление питательных веществ через всю поверхность клетки, исключительная быстрота их ассимиляции и диссимиляции, необычайная способность приспособления к условиям внешней среды, использование для питания самых разнообразных веществ благодаря разнообразию своих ферментов[1]. Из органогенов потребность в кислороде и водороде удовлетворяется за счет воды и частью за счет кислорода воздуха. В отношении же потребности углерода и азота микробы разделяются на различные группы. Микроорганизмы в отношении углеродного питания разделяются на две физиологические группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы используют в качестве единственного источника углерода углекислоту атмосферы. Ассимиляция СО2 является эндотермическим процессом, поэтому требуется затрата посторонней энергии. Источником такой энергии является или солнечная энергия, как и у высших растений (фотосинтез), или химическая энергия (хемосинтез), получаемая бактериями за счет окисления некоторых минеральных веществ. К фотоавтотрофам относятся зеленые и пурпурные серобактерии, содержащие фотосинтезирующие пигменты. Пурпурные серобактерии имеют бактериохлорофилл, а зеленые - бактериовиридин. Кроме того, те и другие содержат каротиноиды. К хемоавтотрофам относятся следующие бесцветные бактерии: 1) нитрифицирующие; 2) бесцветные серобактерии; 3) тионовые; 4) водородные бактерии; 5) железобактерии. Явление хемосинтеза у бактерий было открыто Виноградским в 1888 г. Он показал, что в клетках нитрифицирующих бактерий сопряженно совершаются два процесса: 1) окисление аммиака в азотную кислоту с выделением энергии и 2) восстановление СО2 до органических соединений. Для роста автотрофов достаточно наличие таких, например, соединений, как NaCl, K2HPО4, MgSО4, FeCl3 и (Nh5)2SО4. Углерод автотрофы получают из углекислоты или из карбонатов. Из этих соединений они синтезируют свои углеводы, жиры, белки, витамины, ферменты и другие соединения. Энергию для такого синтеза они получают за счет окисления таких неорганических простых соединений, как h3S (серобактерии), Nh4, NaNО2, Nh5OH (нитрифицирующие бактерии), FeCО3 (железобактерии), Н2 (водородные бактерии) [1]. Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений. Они составляют обширную группу, в которую входят сапрофиты или метатрофы, возбудители брожений, гнилостные микробы. Сюда же относятся все болезнетворные бактерии, причем большинство патогенных бактерий в организме больного питается за счет веществ этого организма, а на искусственных питательных средах - за счет мертвых органических веществ (палочки брюшного тифа, бруцеллеза, сибирской язвы и др.). Среди гетеротрофных организмов имеется ряд специфических групп, которые усваивают углерод только из определенных органических соединений, что явилось результатом приспособления к внешней среде. Так, микробы, населяющие растительные остатки, приспособились разлагать клетчатку, из залежей нефти бактерии потребляют углеводороды. Молочнокислые бактерии, обитающие на молоке, усваивают лактозу, а обитающие на растениях - мальтозу. Образовались целые физиологические группы - клетчаткоразлагающие бактерии, пектиноразлагающие и пр. Питательная ценность источников углеродного питания в большой степени зависит от степени окисленности атомов углерода. Наиболее доступными источниками углерода являются полуокисленные атомы углерода - СН2ОН, СНОН, СОН. Наиболее полноценными источниками углерода являются сахара, особенно гексозы, многоатомные спирты (маннит, сорбит), органические кислоты (глюкороновая, молочная) и др. Но количество источников углерода необычайно велико. Так же велико и число групп микробов, приспособившихся к их усвоению. Можно сказать, что, за исключением разве графита и алмаза, нет такого углеродистого соединения, которое не было бы разложено теми или иными микроорганизмами, есть бактерии, усваивающие даже такие дезинфицирующие вещества, как фенол (в слабых разведениях). Материалы, применяемые для изоляции металлических кабелей, капрон, резина и пр. во влажной почве рано или поздно начинают разлагаться микробами[1]. В последнее время у некоторых гетеротрофов - бактерий, грибов, протозоа найдена способность ассимилировать также углекислоту и образовывать из нее сложные органические вещества, однако при этом не происходит накопления энергии, как в процессе фотосинтеза. В отношении азотистого питания микробы также разделяются на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавтотрофные синтезируют белковые вещества за счет минеральных источников азота (аммиак, аммонийные соли, азотнокислые соли, азот атмосферы) или простейших форм органического азота. Сюда относятся главным образом почвенные бактерии - нитрифицирующие, азотфиксирующие.

refbox.org

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.1.Способы существования прокариотов

11.2.Питание микроорганизмов

11.2.1.Круговорот углерода и кислорода

11.2.2.Круговорот углерода и кислорода

11.2.3.Потребность в макро- и микроэлементах

11.3.Способы размножения микроорганизмов

11.4.Культивирование микроорганизмов (слайд 11.3)

11.4.1.Рост бактерий в периодической культуре

11.4.2.Рост бактерий в непрерывной культуре

11.1. Способысуществованияпрокариотов

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по своим пищевым потребностям. Они могут существовать за счет усвоения самых различных субстратов. По отношению к источникам углерода их делят на две группы – автотрофы и гетеротрофы (слайд 11.4).

Автотрофы превращают CO2 в органические соединения за счет внешних источников энергии. Поэтому разнообразие автотрофных организмов определяется в основном потребляемыми ими источниками энергии. Обычно автотрофы делят на две группы: хемолитоавтотрофы для ассимиляции углерода СО2 используют энергию окисления минеральных веществ, фотоавтотрофы для этой цели используют солнечную энергию

(слайд 11.5).

Гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях, которые используются ими и как источник энергии, и как источник углерода.

11.2. Питаниемикроорганизмов

Для роста микроорганизмов необходима вода и растворенные в ней питательные вещества.

Вода. Около80-90% массы микробных клеток составляет вода. Вода должна находиться в жидкой фазе, так как только в такой форме она доступна микроорганизмам. В отсутствие воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.

Потребность в химических элементах. Микробной клетке необходимы макро- и микроэлементы. К первым относятся десять элементов, содержащихся во всех организмах: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний и железо (С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe). Микроэлементы – это марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, никель,

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.2. Питание микроорганизмов

ванадий, бор, хлор, натрий, селен, кремний, вольфрам и другие. В них нуждаются не все организмы (слайд 11.6).

Большинство элементов вносят в питательную среду в виде солей.

11.2.1. Круговоротуглеродаикислорода

Источники углерода. Среди всех элементов наибольшее значение имеет углерод, содержание которого составляет 50 % сухой массы клетки. Микроорганизмы способны утилизировать практически все известные в природе органические соединения.

Высокой питательной ценностью характеризуются различные сахара, глицерин, маннит, органические кислоты. Плохо усваиваются микроорганизмами более окисленные соединения. Какое бы углеродное соединение ни использовалось микробной клеткой, оно сначала расщепляется до низкомолекулярных веществ, которые затем вовлекаются в биосинтетические процессы. Во время процесса расщепления из химических соединений извлекается энергия, которая в форме АТФ может использоваться микроорганизмами.

Многие виды бактерий обладают способностью при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой. Их называют миксотрофами (слайд 11.7).

Воздух содержит приблизительно 0,03% СO2, эта концентрация поддерживается относительно постоянной в результате динамического равновесия между фотосинтезом и минерализацией. Постоянство СО2 в воздухе поддерживается какфизико-химическими,так и биологическими процессами.

Круговорот углерода. Циклические превращения углерода и кислорода осуществляются главным образом в результате двух процессов – кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и дыхания и горения – с другой

(слайд 11.8).

Путем кислородного фотосинтеза окисленная форма углерода (СO2) переходит в восстановленное состояние, в котором он находится в органических соединениях, а восстановленная форма кислорода (Н2О) окисляется до молекулярного кислорода (O2). На суше основными организмами, проявляющими фотосинтетическую активность, являются растения. В океанах одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют наиболее важную роль в фотосинтезе. Микроскопические водоросли океана (фитопланктон) способны развиваться в поверхностных слоях воды повсюду, где для них создаются благоприятные условия. Согласно одному из расчетов, общая ежегодная фиксация углерода в океанах достигает приблизительно 1,2×1010 т, тогда как фиксация на суше составляет около 1,6×1010 т.

Гетеротрофный метаболизм завершает этот цикл путем расщепления органических веществ и образования субстратов для фотосинтеза: СO2 и Н2O.

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.2. Питание микроорганизмов

Водоросли, животные и растения вносят свой вклад в этот процесс за счет дыхательной активности. Однако основную массу органического вещества окисляют бактерии и грибы.

Таким образом, циклические превращения углерода и кислорода тесно связаны между собой посредством кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и аэробного дыхания – с другой.

11.2.2. Круговоротуглеродаикислорода

Источники азота. Азот необходим микроорганизмам для синтеза нуклеиновых кислот, белков, полимеров клеточной стенки. В качестве источника азота микроорганизмы используют минеральные и органические соединения и в зависимости от этого делятся на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы (слайд 11.9).

Аминоавтотрофные организмы строят азотсодержащие компоненты либо из минеральных веществ, либо из аминных групп, оторванных от органических субстанций.

Наиболее доступными являются ионы аммония Nh5+. (Nh5)2SО4, Nh5Сl, которые по мере потребления иона аммония подкисляют среду, что не способствует нормальному развитию клеток.

Менее доступны нитраты, так как азот нитратов для того, чтобы включиться в органические соединения, должен быть предварительно восстановлен до уровня аммиака в энергетически зависимой реакции.

Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Они используются только специфическими группами микроорганизмов и в том случае, когда их концентрация в среде очень мала.

Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот N2. Азотфиксирующие микроорганизмы имеют нитрогеназный комплекс, активирующий инертную молекулу атмосферного азота.

Таким образом, степень усвояемости минеральных источников азота определяется тем, насколько легко они превращаются в аммиак.

Аминогетеротрофные микроорганизмы строят белки из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Белки предварительно гидролизуют с помощью протеолитических ферментов, выделяемых в среду. Потребностью в готовых аминокислотах обладают главным образом патогенные микробы, а также молочнокислые бактерии.

Если в питательной среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизм переходит на аминоавтотрофный способ существования и создает недостающую аминокислоту.

Если источником азота служат белки, пептоны или аминокислоты, то источники углерода не нужны, так как эти субстраты используются одновременно и как источники углерода. Но при использовании минеральных источников азота присутствие углеродного сырья необходимо.

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.2. Питание микроорганизмов

Круговорот азота включает 4 стадии: фиксацию азота, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию (слайд 11.10).

Процесс фиксации азота – это в основном биологический процесс. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью бактерий. Фиксация азота осуществляется свободноживущими и симбиотическими бактериями. Симбиотические – бактерии рода Rhizobium. Свободноживущие – цианобактерии (Anabaena иNostoc),Azotobacter,

Beijerinckia, Bacillus polymyxa, Clostridiumи другие.

В процессе аммонификации происходит гидролиз белков и нуклеиновых кислот с освобождением аминокислот и органических азотистых оснований, которые затем также расщепляются в результате дыхания и брожения. Аммонификация осуществляется как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Разрушение белка в анаэробных условиях с образованием аминов характерно для бактерий рода Clostridium. В присутствии воздуха амины окисляются; другими бактериями с выделением аммиака.

Микроорганизмы, способные к аммонификации, относятся к группе гетеротрофов. Эта группа представлена грамположительными споровыми палочками (В. subtilis,В. Megatherium, Clostridium) и бесспоровыми формами (Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Proteus и др.)

Нитрификация – превращение аммиака в нитрат – осуществляется в природе бактериями семейства Nitrobacteraceae. Они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата – аммиака.

Нитрификация происходит в два этапа: на первом аммиак окисляется до нитрита, на втором нитрит окисляется до нитрата.

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

Денитрификация – процесс восстановления нитратов. Происходит в анаэробных условиях, нитрат используется в качестве конечного акцептора электронов, осуществляется процесс нитратного дыхания. Некоторые бактерии (Escherichia coil) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (Pseudomonas denitrificans) – до газообразного азота.

Этот процесс широко распространен среди бактерий и обнаружен у представителей более 70 родов. В наибольшей степени – у бактерий из родов

Bacillus и Pseudomonas.

Все денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O2, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям – вторичного происхождения.

11.2.3. Потребностьвмакроимикроэлементах

Наряду с углеродом и азотом микроорганизмам для синтеза клеточного вещества нужны различные элементы, которые входят в состав органических

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.2. Питание микроорганизмов

соединений. Их присутствие даже в ничтожно малых количествах влияет на свойства микроорганизмов и качество образуемых метаболитов (слайд

11.11).

Сера необходима для синтеза серосодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Сера стимулирует протеолитические ферменты. Она обычно потребляется микроорганизмами в виде сульфатов. Некоторые микроорганизмы используют восстановленные соединения серы, в энергетических целях.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Фосфор получают из фосфорнокислых солей, калия или натрия, источником фосфатов также могут служить нуклеиновые кислоты.

Кальций входит в состав эндоспор, изменяет проницаемость протоплазмы.

Магний присутствует в клеточных стенках, мембранах.

Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах и играет важную роль в регуляции степени агрегации рибосомальных частиц.

Молибден активирует целую группу ферментов, ответственных за процессы брожения, фиксации азота, нитрификации.

Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать все необходимые для роста вещества, они называются прототрофами. Микроорганизмы, лишенные способности синтезировать некоторые органические соединения (аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины), называются ауксотрофами (слайд

11.12).

11.3. Способыразмножениямикроорганизмов

Для большинства прокариот характерно бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток (слайд 11.13).

У большинства грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление (слайд 11.14). Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно обнаружить морфологические и физиологические различия. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.3. Способы размножения микроорганизмов

дочерних клеток. Дочерние клетки лучше приспосабливаются к меняющимся условиям.

Бинарное деление может происходить в одной или нескольких плоскостях. В первом случае, если после деления клетки не расходятся, это приводит к образованию цепочек палочковидных или сферических клеток, во втором – к клеточным скоплениям разной формы.

Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано размножение путем множественного деления (слайд 11.15). Это приводит к образованию мелких клеток, баеоцитов, число которых у разных видов колеблется от 4 до 1000. Освобождение баеоцитов происходит путем разрыва материнской клеточной стенки.

11.4. Культивированиемикроорганизмов

Популяция микроорганизмов, или культура – это совокупность бактерий одного или разных видов, развивающихся в ограниченном пространстве. Выращивание микроорганизмов на питательных средах называется культивированием, а культивирование при определенной температуре – инкубированием.

По степени однородности клеток культуры делят на чистые, смешанные и накопительные (слайд 11.16).

Чистые культуры – потомство одной клетки (клон). Чистая культура характеризуется однородностью клеток и колоний. Признаки, которые проявляет культура на жидких и твердых средах, называются культуральными (слайд 11.17).

Методы выделения чистых культур были предложены Р. Кохом в XIX

в.

Смешанные культуры – это потомство клеток2-хили нескольких видов. Естественные популяции, как правило, представляют собой смесь различных микроорганизмов. Смешанные культуры также могут быть приготовлены путем объединения чистых культур (слайд 11.18).

Накопительные культуры. Накопительными называют такие культуры, в которых преобладают представители одной группы или даже одного вида микроорганизмов.

Для накопления нужны такие условия, при которых данный организм преодолевает конкуренцию остальных. Подбирая ряд факторов (источники энергии, углерода, азота, освещенность, температуру, рН и т.д.), создают определенные условия и инокулируют среду смешанной популяцией, какая имеется, например, в почве или в иле. Наиболее приспособленный к такой среде микроорганизм растет и вытесняет все остальные.

Условия, обеспечивающие преимущественное развитие определенной группы или вида микроорганизмов, называются элективными.

Для культивирования микроорганизмов используют питательные среды различного составы и консистенции (слайд 11.19).

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.4. Культивирование микроорганизмов

По составу среды бывают натуральные, полусинтетические и синтетические.

По консистенции среды бывают жидкие (бульоны), полужидкие (содержат желатин, агар в малой концентрации) и твердые (агаризованные).

По назначению среды бывают:

–универсальные (предложены Р. Кохом) – на них растет большинство микроорганизмов. Примеры: МПА, МПБ, крахмало-аммиачный,картофельный агар и т.п.

–элективные (предложены С.Н. Виноградским) – они составлены в расчете на предельно жесткие условия, при которых может развиваться только избранный организм. Примеры: среда Эшби, Виноградского.

–накопительные (предложены М. Бейеринком). Для получения максимального эффекта накопления сочетают биофизические, биохимические и биологические методы.

11.4.1. Ростбактерийвпериодическойкультуре

Периодическая культура – популяция клеток, растущая в ограниченном пространстве: питательные вещества не поступают, конечные продукты обмена не удаляются.

Кривая, описывающая зависимость логарифма числа живых клеток от времени, называется кривой роста. Типичная кривая роста имеет S-образнуюформу и различает несколько фаз роста, сменяющих друг друга (слайд 11.20).

1). Лаг-фазаначинается с момента посева бактерий в свежую питательную среду. В этот период клетки адаптируются к данным условиям культивирования и достигают максимальной скорости роста (слайд 11.21).

Продолжительность лаг-периодазависит от многих факторов: биологических особенностей бактерий, возраста исходной культуры, состава питательной среды, температуры культивирования бактерий.

Диауксия – двухфазный рост, наличие двух лаг-фаз.Это обычно происходит на средах, содержащих смесь питательных веществ (слайд 11.22).

2). Экспоненциальная, или логарифмическая (лог-фаза),характеризуется максимальной скоростью деления бактерий (слайд 11.23).

Нарастание клеток идет в геометрической прогрессии. Общее количество бактерий определяется по формуле 1:

где N — общее количество клеток в конце опыта,N0 — количество клеток в начале опыта,

n — число поколений или генераций.

Вмикробиологической практике для выражения общего числа клеток чаще пользуются не абсолютными числами, а их логарифмами.

Вэкспоненциальной фазе процессы роста протекают сбалансированно. Эта фаза многостадийна, так как в начале ее бактерии растут в среде с

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.4. Культивирование микроорганизмов

избытком субстрата, затем концентрация его понижается, изменяется активность ферментов, возрастает содержание клеточных метаболитов.

3). Линейная фаза роста, характеризуется постоянной скоростью прироста биомассы (слайд 11.24).

Наступление фазы объясняется качественными изменениями состава питательной среды: потреблением питательных веществ, накоплением продуктов метаболизма, дефицитом кислорода в среде, изменением рН среды и т. д.

4). Стационарная фаза роста, характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками (слайд 11.25).

Скорость роста снижается не только из-занехватки субстрата, но такжеиз-забольшой плотности бактериальной популяции, недостатка О2, или накопления токсичных продуктов обмена.

Встационарной фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток (урожай, или выход).

Встационарной фазе клетки характеризуются несбалансированным ростом (клеточные компоненты синтезируются с различной скоростью), уменьшением интенсивности обменных процессов, более высокой устойчивостью к физическим и химическим воздействиям.

5). Фаза отмирания, характеризуется уменьшением числа живых клеток. В естественных условиях отмирание бактерий приводит к самоочищению природных сред. Число живых клеток может снижаться, когда в среде накапливаются кислоты, иногда клетки лизируются под действием собственных ферментов (автолиз) (слайд 11.26).

6). Фаза выживания, характеризуется наличием отдельных клеток, сохранившихся в течение длительного времени, жизнеспособностью в условиях гибели большинства клеток популяции. При пересеве таких выживших клеток в свежую питательную среду, после лаг-периодаони начинают активно расти и делиться. Выживающие клетки характеризуются низкой интенсивностью процессов метаболизма.

Впроцессе периодического культивирования постоянно изменяются параметры, определяющие скорость роста популяции микроорганизмов, причем исследователю не всегда известно, какие именно. Несмотря на то, что некоторые внешние факторы могут быть зафиксированы (температура среды, рН, концентрация растворенного кислорода и т. д.), все же многие характеристики микробного роста не управляемы.

Обычному периодическому культивированию свойствен ряд недостатков (слайд 11.27):

–высокие концентрации субстратов в начале процесса ингибируют рост микроорганизмов,

–неэкономичный расход энергетического субстрата.

–накопление ингибирующих продуктов метаболизма.

Рост микробной популяции в периодической культуре, как правило, не соответствует типу развития природных популяций и экосистем и не

ЛЕКЦИЯ № 11. ПИТАНИЕ И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

11.4. Культивирование микроорганизмов

позволяет проводить точные количественные эксперименты из-заодновременного изменения большого числа факторов.

11.4.2. Ростбактерийвнепрерывнойкультуре

Принцип проточного культивирования состоит в том, что в ферментер, где производится выращивание бактерий, все время поступает свежая питательная среда и одновременно с такой же скоростью выводится культуральная жидкость, содержащая бактериальные клетки и продукты метаболизма. Регулируя скорость проточной среды, управляют ростом бактериальной популяции (слайд 11.28).

В начале 50-хгодов были обоснованы и применены в экспериментах два вида непрерывной культуры – с постоянным протоком питательной среды через культиватор (хемостат) и постоянной оптической плотностью биомассы в культиваторе (турбидостат). Концентрация биомассы в турбидостате стабилизируется по измерению оптической плотности или мутности культуры (слайд 11.29, 11.30, 11.31).

Рост культур происходит в емкости – ферментере при интенсивном перемешивании. Во всей массе культуры условия должны быть совершенно одинаковыми. Этот метод культивирования получил название гомогеннонепрерывного.

При больших потоках условия среды близки к экспоненциальному росту, при малых – приближаются к условиям стационарной фазы. При таком методе может быть воспроизведена любая точка роста периодической культуры.

Повышение скорости потока приводит к тому, что скорость роста культуры окажется меньше коэффициента разбавления и культура вымоется из ферментера. Низкая скорость протока приведет к тому, что рост ускорится, а в ферментере повысится концентрация биомассы и понизится концентрация субстрата.

Непрерывные процессы имеют преимущества перед периодическими:

–специализировать аппаратуру для каждой стадии процесса;

–автоматизировать процесс;

–стабилизировать процесс во времени;

–легко регулировать условия;

–установить особенности физиологического состояния клеток,

–изучить действие разных факторов в любой степени (слайд 11.32).

studfiles.net

Рост и размножение микроорганизмов

Новые рефераты:

• Многообразие систем международного частного права. Иммунитет государства.
• Россия в 1917 г.: проблема цивилизационного выбора.
• Российская модель экономики.
• Российская модель экономики.
• Дидактическая характеристика системы Л.В. Занкова.
• Значение игры в психическом развитии дошкольников.
• Проблемы внедрения электронных систем документооборота.
• Рынк ценных бумаг США.
• Экономика третьего Рейха.
• Российско-американские отношения в период правления Б. Обамы 2012-2016г.г.
• Особенности уголовно-правового института освобождения от ответственности. .

  Главная » Микробиология » 14. Рост и размножение микроорганизмов

  Рост и размножение микроорганизмов

  Размножение — это увеличение числа особей. Наиболее распространенное — бинарное деление, в результате которого материнская клетка делится с образованием 2-х дочерних. Процессу деления предшествует репликация ДНК. Существует 2 типа бинарного деления: - перетяжкой — кострикция (для Г-). В начале деления в центре клетки происходит инвагинация оболочки и образование 2-х дочерних клеток. - с помощью поперечной перегородки (для Г+). В процессе бинарного деления образуются 2 одинаковые по размеру клетки (равновеликое бинарное деление). Имеет место симметрия продольной и поперечной оси. Разновидностью бинарного деления является множественное, оно характерно для цианобактерий.Под клеточной оболочкой происходит множественное бинарное деление, образовываются басоциты (до 1000), материнская оболочка лопается и басоциты выходят во внешнюю среду. Разновидностью бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. Сначала образовывается почка, растет, закладывается перегородка и почка может оторваться. Симметрия наблюдается в продольной оси. Почкующиеся прокариоты имеют индивидуальность и подвержены старению. Материнский организм не меняется. Бинарное деление может проходить в одной или нескольких плоскостях, что приводит к образованию различных морфологичных структур.  

  Размножение спорами

  Среди прокариот существует группа м/о (актиномицеты), которые размножаются спорами (экзогенные). Артроспоры образовываются в результате деления гиф на фрагменты. Могут размножаться с помощью гиф, но он должен содержать нуклеоид. Период от деления к делению называется онтогенезом. Выделяют несколько типов вегетативного клеточного цикла: - мономорфный цикл; Клетка от деления к делению находится в одном морфологическом состоянии. - диморфный цикл; Возникают 2 морфологических вида клеток. - полиморфный тип; Образует несколько типов (в процессе роста меняет свою форму). Например, коринебактерии, микобактерии, артробактерии. Под ростом м/о понимают увеличение биомассы клетки. Оно должно сопровождаться увеличением всех компонентов клетки. Если у высших организмов увеличение увеличение размера особи сопровождается увеличением числа клеток, то у бактерий различают 2 типа: индивидуальный рост; рост бактерии в популяции. Индивидуальный рост — рост клетки в процессе ее онтогенеза. Размеры клеток можно определить прямым методом, с помощью микрометров, которые встроены в систему микроскопа. А также косвенный метод, который позволяет измерять негативные изображения микрофотографий. Ошибка — 10-15%. Существуют формулы измерения объема сферической клетки:   Для эллипсоидных:   где а — малая диагональ (половина ширины клетки), b — большая диагональ (половина длинны клетки). Для цилиндрических клеток: Цилиндрические формы с закругленными концами:   Скорость роста клетки определяется во многом внешними данными. Чем более оптимальная среда, тем выше скорость роста. При постоянных условиях — рост постоянный.   где V — объем клетки в момент времени t, V0 — начальный объем клетки, С — постоянная скорость роста, е — основание натурального логарифма, t — время наблюдения.  

  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.   Лекция, реферат. Рост и размножение микроорганизмов - понятие и виды. Классификация, сущность и особенности.

  Оглавление книги открыть закрыть

   

   

referatwork.ru

Реферат – Питание микроорганизмов

Таблица 1. Типы питания микроорганизмовК первому типу питания относятся вирусы и риккетсии, неспособные существовать вне клеток своего хозяина. Они используют ферменты хозяина. Все остальные микробы могут развиваться на искусственных питательных средах. [2] Ко второму типу относятся патогенные микробы - возбудители газовой гангрены, столбняка, гемолитический стрептококк микоплазмы, а также молочнокислые бактерии. Они нуждаются в различных аминокислотах, гемине, рибофлавине. Тиамин, фолиевая и пантотеновая кислоты необходимы в виде полной молекулы. Третий тип составляет паразитарная и сапрофитная микрофлора, например: палочка брюшного тифа, дифтерии, золотистый стафилококк, пропионовокислые, некоторые гнилостные, уксуснокислые бактерии, дрожжи. Они нуждаются только в некоторых аминокислотах, вместо сложных витаминов довольствуются их осколками. В четвертую группу входят бактерии типа кишечной палочки, фитопатогенные грибы, пленчатые дрожжи, аэробные бациллы. Пятую группу составляют обычные обитатели почвы - актиномицеты, микобактерии, грибы, бактерии типа псевдомонас, азотфиксаторы и др. Шестая группа - автотрофы, развивающиеся в отсутствие органических веществ, ассимилирующие углекислоту.

refbox.org

Реферат Классификация микроорганизмов по типу питания

1. Классификация микроорганизмов по типу питания.

Различают углеродное и азотное питание.

I. По типу углеродного питания микроорганизмы принято делить на аутотрофы и гетеротрофы. Аутотрофы (прототрофы) – микроорганизмы, способные воспринимать углерод из углекислоты воздуха. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии. Аутотрофы способны использовать воспринятую углекислоту для синтеза сложных органических соединений. Таким образом, аутотрофы обладают способностью синтезировать сложные органические соединения из неорганических. Поскольку такие микробы не нуждаются в готовых органических соединениях, среди них нет болезнетворных. Однако среди аутотрофов встречаются микроорганизмы, обладающие способностью усваивать углерод  из углекислоты воздуха и из органических соединений. Такие микроорганизмы, имеющие смешанный тип питания определены как миксотрофы.Гетеротрофы в противоположность аутотрофам используют углерод из любых готовых органических соединений (чаще всего это углерод спиртов, сахаров, органических кислот, многоатомных спиртов). К гетеротрофам принадлежат возбудители различного рода брожений, гнилостные микробы и микроорганизмы – возбудители различных заболеваний. Однако деление микроорганизмов на аутотрофы и гетеротрофы достаточно условно, так как при изменении условий среды обмен веществ у микроорганизмов может меняться.Гетеротрофы включают в себя две подгруппы: метатрофы (сапрофиты) – живут за счет использования мертвых субстратов (гнилостные микроорганизмы) и паратрофы - паразитические микроорганизмы, живущие на поверхности или внутри организма хозяина и питающиеся за его счет.

II.  По способу усвоения азотистых веществ микроорганизмы подразделяют на четыре группы:

·Протеолитические, способные расщеплять нативные белки, пептиды, аминокислоты.

·Дезаминирующие, способные отщеплять аминогруппы только у свободных аминокислот.

·Нитритно-нитратные, усваивающие окисленные формы азота.

·Азотфиксирующие, обладающие свойством усваивать атмосферный азот.

Потребность микроорганизмов в зольных элементах невелика. Необходимые для жизни минеральные соединения присутствуют в естественной среде обитания.Все изученные бактерии нуждаются в витаминах или ростовых веществах, которые играют роль катализаторов биохимических процессов микробной клетки. Они же служат структурными единицами при образовании некоторых ферментов. К витаминам, необходимым микробной клетке принадлежат: биотин, витамины группы В, витамин К и ряд других. Избыток витаминов задерживает рост бактерий.Кроме витаминов к факторам роста бактерий относят пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил, ксантин и гипоксантин). Некоторые микроорганизмы в качестве ростовых факторов используют аминокислоты, синтезируемые самой микробной клеткой или находящиеся в среде.  Некоторые микроорганизмы обладают способностью синтезировать ростовые факторы в относительно больших количествах, обеспечивая не только свои потребности, но и интенсивно выделяя синтезируемые вещества в окружающую среду. Например, пропионовокислые бактерии способны синтезировать витамин В12, что активно используется в промышленности.Кроме описанных способов получения микроорганизмами питательных веществ часто применяется классификация микроорганизмов в зависимости от источника энергии:

· Фототрофные микроорганизмы – это микроорганизмы, способные использовать в качестве источника энергии свет. Например, синезеленые водоросли, пурпурные серобактерии. Эти микроорганизмы содержат пигменты, по своему составу близкие к хлорофиллу растений.

· Хемотрофные микроорганизмы получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций с участием питательных субстратов. Способы поступления питательных веществ в клетку

Поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена в окружающую среду происходит у микроорганизмов через всю поверхность тела. У микроорганизмов очень большая по сравнению с объемом всасывающая пищу поверхность клетки, что обусловливает весьма активный обмен веществ. Поступление питательных веществ в клетку сложный процесс.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку только в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов.

Наиболее известны два пути проникновения веществ в клетку: осмос и адсорбция (специфический перенос). Активная роль в этих процессах принадлежит цитоплазматической мембране.

О с м о с представляет собой диффузию веществ в растворах через полупроницаемую перепонку (мембрану). Как известно, через такие мембраны могут диффундировать вещества, находящиеся в состоянии истинных растворов. Возникает осмос под действием разности осмотических давлений в растворах по обе стороны полупроницаемой мембраны.

Оболочка клетки проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана клетки обладает полупроницаемостью; она является осмотическим барьером, регулируя поступление в клетку и выход из неё растворённых веществ.

При осмотическом проникновении питательных веществ в клетку движущей силой служит разность осмотических давлений между средой и клеткой. Такой пассивный перенос веществ не требует затраты энергии и протекает до выравнивания концентрации с наружным раствором.

Если микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объёме, и протопласт отстаёт от клеточной оболочки. Это явление называется плазмолизом клетки.

При чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды может наступить плазмоптис клетки – явление, обратное плазмолису, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Второй путь поступления веществ в клетку – активный – путём переноса их особыми, локализованными в цитоплазматической мембране веществами ферментной природы. Эти переносчики, называемые пермеазами, обладают субстратной специфичностью. Каждый транспортирует только определённое вещество, имеющее сходную с белком-переносчиком стереохимическую структуру молекулы. На внешней стороне цитоплазматической мембраны переносчик адсорбирует вещество – вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне её транспортируемое вещество в цитоплазму. Вещество может поступать и тогда, когда концентрация его в клетке больше, чем в среде. При таком переносе веществ затрачивается энергия. При этом транспортируемое вещество может подвергнуться изменению, например из не растворимого в мембране переходит в растворимое состояние.

Цитоплазматическая мембрана, таким образом, является не только осмотическим барьером, но и обладает избирательной проницаемостью.2. Микробиологические процессы, протекающие при квашении. Квашение, соление и мочение относят к биохимическим методам консервирования. Он основан на образовании естественного консерванта - молочной кислоты, которая накапливается в результате молочнокислого брожения. Сущность молочнокислого брожения состоит в преобразовании Сахаров в молочную кислоту под действием молочнокислых бактерий. Молочная кислота придает продукту специфический вкус и запах, подавляет развитие посторонней микрофлоры.

Молочнокислое брожение, может происходить двумя путями:

♦ гомоферментативным - когда преимущественно образуется молочная кислота;

♦ гетероферментативным - кроме молочной кислоты образуются и другие побочные продукты: углекислый газ, лимонная и пировиноградная кислоты и др.

Лучшая температура для периода  квашения  – комнатная, для зимнего  хранения  – от 5 °C тепла до нуля. Квашеная капуста считается готовой к употреблению, когда закончится молочнокислое брожение. К концу брожения она приобретает светлый, янтарно – желтый цвет, обладает приятным запахом и кисловатым вкусом. Горький вкус свидетельствует о ненормальном ходе брожения или некачественной подготовке капусты к  квашению  (плохая зачистка, оставлены зеленые листья).Характеристика микроорганизмов – возбудителей порчи.

Б – 5

1.В состав микроорганизмов входят вода, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, минеральные вещества.Вода – основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80 % ее массы. Она находится в свободном или связанном состоянии со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается до 18.20 %. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе . потере клеткой воды в гипертоническом растворе . происходит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды микроорганизмы не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует длительному сохранению микробных особей.

Белки (40.80 % сухой массы) определяют важнейшие биологические свойства бактерий и состоят обычно из сочетаний 20 аминокислот. В состав бактерий входит диаминопимелиновая кислота (ДАП), отсутствующая в клетках человека и животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.

Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции, аналогичные нуклеиновым кислотам эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка.

Бактерии можно характеризовать (таксономически) по содержанию суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в молярных процентах (М%) от общего количества оснований ДНК. Более точной характеристикой микроорганизмов является гибридизация их ДНК. Основа метода гибридизации ДНК . способность денатурированной (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, т.е. соединяться с комплементарной нитью ДНК и образовывать двухцепочечную молекулу ДНК.

Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами.

Лип иды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме биомолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и гли-церидами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза.

Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжигания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.).Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки.2.Микрофлора зернаВ 1 гр зерна содержатся миллионы микроорганизмов. Качественный состав микрофлоры: 90% состовляют бактерии, 5-7% споры плесневых грибов и небольшое число дрожжей. Среди бактерий преобладает гербикола, считается, что большое число клеток гербиколы является высоким показателем качества зерна. Встречаются также микрококки, молочнокислые бактерии и споровые анаэробные палочки. Преобладает полевая плесень, мало пенецилов и аспергиловю По мере хранения зерна, полевая плесень отмирает, а доминирующими становятся пенецилы и аспергилы, которые называют плесенями хранения. Жизнедеятельность микрофлоры зависит от температуры окружающей среды. Большинство бактерий и грибов мезофилы, оптимальная температура развития которых 20-30 градусов. Влияние температур на развитие микроор

bukvasha.ru

Смотрите также

• 
  Список литературы реферат бронхиальная астма
• 
  Реферат творчество маршака для детей
• 
  Страх в жизни человека реферат
• 
  Таджикистан реферат на английском языке
• 
  Этические аспекты клонирования человека реферат
• 
  Реферат на тему опыт майкельсона
• 
  Реферат нейроэндокринные синдромы в гинекологии
• 
  Нервная анорексия у подростков реферат
• 
  Язык и символы культуры реферат
• 
  Школа здоровья артериальная гипертензия реферат
• 
  Человек как общественное существо реферат