4. Особливості зростання бактеріальних популяцій

Рис. 2.1. Крива росту бактеріальної популяції (одна з поширених версій)

При внесенні у поживне середовище бактерії ростуть до тих пір, поки вміст якого-небудь необхідного компонента не стане мінімальним або не вичерпається, після чого ріст припиняється. Якщо впродовж усього цього часу в середовище не вносити ніяких поживних речовин і не виводити продукти метаболізму, то одержимо так звану періодичну культуру (популяцію клітин в обмеженому життєвому просторі).

Крива, що описує залежність логарифму кількості живих клітин від тривалості культивування, називається кривою росту (рис. 2.1). Така крива має S-подібну форму, на ній можна виділити кілька фаз росту: початкову (лаг-фазу), експоненційну (логарифмічну), стаціонарну, та відмирання. За іншим тлумаченням, крива росту бактеріальних популяцій складається з шести фаз (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Крива росту бактеріальної популяції (інша поширена версія). Назви фаз – у подальшому тексті

I. Лаг-фаза починається з моменту посіву бактерій у свіже поживне середовище. у цей період клітини адаптуються до даних умов культивування. Тривалість лаг-фази залежить від передісторії інокуляту та його віку, а також від того, наскільки придатним для росту є дане середовище і умови культивування (рН, температура, концентрація розчиненого кисню). Наприклад, якщо джерела вуглецю та енергії в новому середовищі відрізняються від тих, які були в середовищі при одержанні посівного матеріалу, то адаптація до нових умов передбачає синтез нових ферментів, які раніше були непотрібні, і тому не синтезувались. Утворення нових ферментів індукується новим субстратом.

Прикладом впливі субстрату на синтез ферментів є діауксія. Це явище послідовного використання двох субстратів, або явище двофазового росту. Із суміші глюкози та сорбітолу бактерії спочатку споживають глюкозу. Ферменти метаболізму сорбітолу утворюються тільки після повного вичерпання глюкози. Кількісні зміни складу бактеріальної клітини під час лаг-фази стосуються змін РНК: її зміст збільшується у 8-12 разів. Це вказує на участь РНК і рибосом у синтезі ферментних білків.

II. Експоненційна фаза характеризується максимальною швидкістю поділу клітини. у цій фазі процеси росту проходять збалансовано (тобто подвоєння біомаси супроводжується подвоєнням кількості білка, ДНК, РНК, та ін..). Можна сказати, що культура в експоненційній фазі складається із «стандартних» клітин. Але треба мати на увазі, що в експоненційній фазі клітини періодичної культури зазнають змін, оскільки постійно змінюється середовище: зменшується концентрація субстрату, збільшується густина клітинної суспензії, накопичуються продукти обміну. У зв’язку з тим, що в цій фазі швидкість поділу відносно постійна, вона найзручніша для визначення швидкості поділу та швидкості росту. Вплив факторів зовнішнього середовища, складу поживного середовища на зростання мікроорганізмів визначають, спостерігаючи за показником біомаси чи кількістю клітин саме під час експоненційного росту.

III. Фаза сповільненого росту. Настання цієї фази зумовлене якісними змінами споживного середовища (споживання поживних речовин, накопичення продуктів метаболізму, дефіцит кисню, зміна рН). Клітина реагує на цю зміну інтенсивності синтезу РНК, білка, полісахаридів та інших компонентів.

IV. Стаціонарна фаза настає тоді, коли кількість клітин перестає збільшуватись, тобто характеризується рівновагою між клітинами, що утворюються, та клітинами, що гинуть. У стаціонарній фазі спостерігається максимальна біомаса і максимальна сумарна кількість клітин. Кількість біомаси в стаціонарній фазі називають також виходом або врожаєм. Але в науковій літературі термін «вихід біомаси» або «врожай біомаси» зустрічаються рідко. В основному використовуються поняття «рівень біомаси», «концентрація біомаси» або «врожай біомаси» чи просто «біомаса».

V. Фаза відмирання характеризується зниженням кількості живих клітин, підвищенням гетерогенності популяції. Іноді клітини лізуються під дією своїх власних ферментів (автоліз). Ця фаза досліджена значно менше, ніж попередні.

VI. Фаза виживання характеризується наявністю окремих життєздатних клітин в умовах загибелі більшості клітин популяції. Якщо такі клітини пересіяти в свіже поживне середовище, вони починають активно рости та ділитися. Такі виживані клітини характеризуються низькою інтенсивністю процесів метаболізму.