Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры биохимии, микробиологии и биотехнологии «20»
Скачать 2.59 Mb.
|
Фимбрии, или реснички. Фимбрии (от англ. fimbria — бахрома) — короткие нити, в большом количестве (до многих тысяч) окружающие бактериальную клетку (рис. 14). Подобно жгутикам и донорным ворсинкам, они прикреплены к клеточной стенке, но значительно короче и тоньше — их длина 0,1-12,0 мкм, диаметр 25 нм. Белок фимбрии отличается от белков жгутиков и донорных ворсинок. Эндоспоры и спорообразование Некоторые роды бактерий (Bacillus, Clostridium, Sporosarcina) при неблагоприятных для их существования условиях образуют защитные формы — эндоспоры. Споры представляют собой своеобразные покоящиеся клетки; у них чрезвычайно низкая метаболическая активность, но они обладают высокой устойчивостью к высушиванию, действию повышенной температуры и различных химических веществ. Высокую резистентность спор к действию указанных факторов связывают с присутствием в оболочке большого количества кальциевой соли дипиколиновой кислоты.  Рис. Расположение спор у бактерий: 1. Центральное {Bacillus megaterium); 2. Субтерминальное (Clostridium botulinum); 3. Терминальное (Clostridium tetani). Споры сильно преломляют свет, поэтому они хорошо заметны в неокрашенных препаратах. Для их обнаружения предложены различные интенсивные способы окрашивания, поскольку они слабо воспринимают красители. Диаметр споры может не превышать диаметра вегетативной клетки {Bacillus) или превышает его. В последнем случае бактериальная клетка со спорой принимает форму веретена {Clostridium). Споры в клетке (рис. 15) могут располагаться центрально {B.anthraeis), субтерминально {С.botulinum), терминально {С.tetani). В процессе спорообразования (споруляции) бактериальная клетка подвергается сложной перестройке (рис. 16). Вначале на одном из ее полюсов происходит конденсация нуклеоида и отделение его за счет образования септы. Затем ЦМ начинает обрастать образовавшийся протопласт споры и возникает складка, состоящая из двух слоев ЦМ, позднее они сливаются, в результате образовавшаяся предспора оказывается окруженной двойной оболочкой. На следующей стадии между двумя мембранами, покрывающими предспору, формируется толстый слой кортекса (коры). Самый внутренний слой его представляет зародышевую стенку (из него образуется клеточная стенка прорастающей вегетативной клетки). По мере созревания споры обе ее мембраны участвуют в образовании специальных слоев споры. Таким образом между обращенными друг к другу мембранами образуются зародышевая стенка, кортекс, а также расположенные снаружи от мембран наружная и внутренняя оболочки и экзоспорий. Сформировавшаяся эндоспора состоит из протопласта с нуклеоидом, стенки споры, кортекса, оболочки и экзоспория. Протопласт споры (ядро) содержит ЦМ, цитоплазму, хромосому, все компоненты белоксинтези-рующей системы и анаэробной энергообразующей системы. Стенка споры непосредственно окружает внутреннюю мембрану ее и представлена пептидоглика-ном, из которого формируется клеточная стенка прорастающей клетки.  Рис. Схема образования споры (по Г. Шлегелю). А и Б — образование септы. В и Г — окружение протопласта споры мембраной материнской клетки. Д — формирование кортекса и оболочек споры. Е — схема строения зрелой споры: 1 — экзоспориум; 2 — наружная оболочка споры; 3 — внутренняя оболочка споры; 4 — кортекс; 5 — клеточная стенка споры; 6 — ЦМ споры; 7 — цитоплазма с нуклеоидом. Кортекс — самый толстый слой оболочки споры. Он состоит из пептидогликана, содержащего мало поперечных сшивок и поэтому очень чувствительного к лизоциму. Разрушение кортекса лизоцимом играет пусковую роль в процессе прорастания споры. Оболочка споры построена из кератиноподобного белка. Плохая проницаемость ее определяет высокую устойчивость спор к действию различных химических веществ. Экзоспорий — липопротеиновая оболочка, содержащая немного углеводов. После завершения спорообразования вегетативная часть клетки отмирает, спора высвобождается и длительное время сохраняется в окружающей среде, до тех пор, пока не возникнут условия, благоприятные для ее прорастания. Прорастание спор включает три стадии: активацию, начальную стадию и стадию роста. Лекция 4. ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ. МЕХАНИЗМЫ ПИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ. Пищевые потребности. Пищевым принято называть любое вещество, которое, попав в организм, служит источником энергии или пластическим материалом для синтеза молекул, используемых для роста организма. Большинство животных, включая человека, способны заглатывать и переваривать плотные частички пищи в основном за счет их гидролиза. Подробный тип питания известен как голозойный, а организмы – голозои. 1. Бактерии – голофиты. Бактерии не способны захватывать твердофазные объекты и утилизируют питательные вещества в виде относительно простых молекул в водных растворах; подобный способ питания, присущий также всем растениям, известен как голофитный. 2. Бактерии – голозои. Тем не менее многие бактерии способны утилизировать «твердую пищу» с помощью так называемого внешнего питания, реализуемого вне клеток. Для этого они имеют мощный ферментативный потенциал, хотя иногда секретируемые ферменты могут полностью инактивировать в результате разведения, под действием конвекционных токов и других факторов. Контакт пищеварительных ферментов с субстратом приводит к образованию простых водорастворимых молекул, проникающих через клеточную стенку в цитоплазму. Начиная с этого момента, процессы их усвоения (метаболизма) в растительных и животных клетках протекают удивительно сходно, хотя и не во всем идентично. 3. Основные соединения, усвояемые бактериальной клеткой, - углеводы, аминокислоты, жирные кислоты, минеральные соли, витамины и др. Бактериям совершенно безразличны источники питательных веществ; образно говоря, они «лишены вкуса» и «не страдают несварением желудка». Более того, иногда они утилизируют вещества, не пригодные для животных клеток, например карболовую кислоты, парафин, мыло и др. Подобно всем прочим формам жизни бактерии нуждаются в одних и тех же элементах – C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe. Микроэлементы (или следовые элементы) - Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, Va, B, Cl, Na, Se, Si, Wo и др. – не являются обязательными для всех организмов, но бактериям они необходимы для синтеза коферментов либо поддержания своего специфического типа метаболизма. Например, для оптимального роста некоторые бактерии нуждаются в высоких концентрациях Na+; их также называют – галлофилы (от гр. hals – соль). Помимо источников углерода, энергии и элементов минерального питания, многие микроорганизмы нуждаются в некоторых дополнительных веществах, называемых факторами роста. Количественная потребность в питательных элементах и их содержание у различных бактерий варьируют, но принципиально химический состав бактериальной клетки сходен с другими живыми клетками (исключением является отсутсвие у бактерий стеролов). Транспортные системы в жизни клетки выполняют две основные функции 1) поддерживают на высоком уровне внутриклеточные концентрации всех субстратов, необходимых для осуществления важнейших биохимических реакций с максимально высокими скоростями даже при низких концентрациях этих химических веществ во внешней среде; 2) регулируют внутриклеточное осмотическое давление, поддерживают оптимальную для метаболической активности концентрацию растворенных веществ (небольших молекул и ионов). Механизмы питания бактерий Большинство бактерий живет в среде, мало подходящей для того, чтобы поддерживать строгое соотношение воды, солей и органических веществ, без которого невозможна жизнь. Это обусловливает необходимость постоянного и тщательного регулирования обмена различными веществами, который происходит между клеткой и внешней средой и_контролируется клеточной мембраной. Она проницаема для многих веществ, поток их идет в обоих направлениях (из клетки и в клетку), но структура мембраны такова, что она обладает избирательной и неравномерной проницаемостью, определяющей механизмы питания_бактерий. Питательные вещества из внешней среды nocrynaют в бактериальную клетку с помощью трех основных механизмов: пассивной диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта. ( Рис. 17).  Рис. Бактериальные транспортные системы (Р. Стейнер с соавт. Мир микробов. 1979, т. 2). Разная длина стрелок указывает на сдвиг равновесия реакции в сторону более длинной стрелки. S и s означают соответственно высокую и низкую концентрации растворенных веществ; О—белок-переносчик (пермеаза); R — белок Нрг; R-ф — фосфо-Нрг; ф — фосфатная группа. Пассивная диффузия осуществляется за счет различного содержания питательных веществ в среде и в клетке и происходит в направлении от большей концентрации к меньшей, т. е. по градиенту концентрации. Когда концентрация вещества по ту и другую сторону мембраны уравнивается, пассивная диффузия прекращается. Ее скорость зависит от величины градиента, но она имеет определенный предел. Таким путем в клетку проникает (и покидает ее) вода вместе с растворенными в ней различными мелкими молекулами, способными проходить через мелкие поры мембраны. Для пассивной диффузии_характерно отсутствие_субстратной специфичности, и она не требует затраты энергии. Облегченная диффузия характеризуется выраженной субстратной специфичностью и протекает при обязательном участии специфических белков, локализованных в мембране; синтез некоторых из них индуцируется соответствующими субстратами. Эти белки, получившие название пермеаз (от англ реrmeate - проникать, проходить насквозь об ладают субстратной специфичностью" Они рас-познают и связывают молекулу субстрата на внешней стороне мембраны и обеспечивают каким-то образом ее перенос через мембрану. На внутренней поверхности мембраны комплекс пермеаза-субстрат диссоциирует, освободившаяся молекула субстрата включается в общий метаболизм клетки, а пермеаза повторяет очередной цикл переноса своего субстрата, который не способен проникать через мембрану путем простой диффузии. Облегченная диффузия протекает со значительно более высокой скоростью, чем пассивная. Ее скорость подчиняется закону Михаэлиса-Ментен, и при достижении равновесия концентрация субстрата, доставляемого посредством облегченной диффузии, на внутренней и внешней поверхности мембраны становится одинаковой. Активный транспорт. С помощью механизмов активного транспорта растворенные вещества могут поступать в клетку против градиента концентрации, поэтому активный транспорт требует от клетки 1 затраты энергии. У бактерий этот механизм питания является преобладающим. С его помощью они ' обеспечивают такие концентрации растворенных питательных веществ внутри клетки, которые могут во много раз превышать их концентрации во внешней среде и обеспечивают им высокие скорости метаболизма даже при низкой концентрации химических веществ в окружающей среде. У многих бактерий, в особенности грамотрицательных, в активном транспорте принимают участие особые связывающие белки, не идентичные пермеазам и не входящие в структуру мембраны, а локализованные в переплазматическом пространстве. У связывающих белков отсутствует каталитическая активность, но они обладают очень высоким сродством к определенным питательным веществам — к различным аминокислотам, сахарин, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных связывающих белков, которые образуют прочные комплексы со своими субстратами и необходимы для их активного переноса через мембрану. Связывающие белки функционируют только в комплексе со специфическими пермеазами, осуществляющими активный перенос субстрата через мембрану. Метаболическая энергия, необходимая для этого, используется для снижения сродства пермеазы к своему субстрату на внутренней поверхности мембраны по сравнению с ее сродством к нему на внешней стороне мембраны. В результате этих превращений происходит изменение скорости выхода субстрата наружу, она становится во много раз меньше скорости его поступления в клетку. При этом механизме активного транспорта через мембрану в клетку поступают против градиента концентрации химически не измененные питятельные вещества.. У бактерий, вместе с тем, существуют и такие транспортные системы, которые переводят питательные вещества в химически измененную форму, не способную проникать через мембрану. К их числу относится фосфотрансферазная система, широко распространенная среди бактерий. С помощью этой системы транспортируются многие сахара и их производные, в процессе переноса они фосфорили-руются и поступают в клетку в виде сахарофосфатов. Поскольку мембрана для последних непроницаема, сахарофосфаты остаются внутри клетки. Фосфотрансферазная система состоит из двух неспецифических компонентов: ферментов I и НРг и набора субстрат-специфических белков, связанных с мембраной и обозначенных как ферменты II. Фермент I обеспечивает перенос богатой энергией фосфатной группы от фосфоенолпирувата на гистидиновый остаток фермента НРг, который превращается в фосфо-HPr. Последний является общим донором фосфорильной группы для всех субстратов, переносимых фосфотрансферазной системой. Фосфорилирование же их осуществляется субстрат-специфическими белками из группы ферментов II, которые выполняют также и функции пермеаз. У мутантных бактерий, лишенных фермента I или белка НРг, ферменты II осуществляют облегченную диффузию своих субстратов. Питательные среды Для выращивания бактерий применяют различные питательные среды. Они могут быть жидкими, твердыми (лучше называть их плотными) или полужидкими. Жидкие среды готовят на основе водных растворов каких-либо веществ, чаще всего мясной воды, различных гидролизатов, иногда жидких естественных продуктов (молока, крови и др.). Для получения плотных сред к ним добавляют или агар, или желатин, или силикагель в соответствующих концентрациях. Агар представляет собой полисахарид сложного состава, получаемый из морских водорослей. Он имеет плотную волокнистую структуру. Агар плавится при 100 °С, но при охлаждении сохраняет жидкую консистенцию до 45 °С. Для получения плотных сред его добавляют в концентрации 1,5-3,0%. Полужидкие среды имеют вязкую консистенцию благодаря добавлению к ним небольшого количества агара (0,3-0,7%). По своему происхождению среды делят на естественные (кровяные, молочные, картофельные, яичные) и искусственные, получившие особенно широкое распространение. Они представляют собой искусственные сбалансированные смеси питательных веществ в концентрациях и сочетаниях, необходимых для роста и размножения микроорганизмов. В них в качестве универсального источника азота и углерода для патогенных бактерий применяют пептоны — продукты неполного расщепления белков с помощью ферментов (пепсина), различные гидролизаты (рыбный, казеиновый, дрожжевой и т. п.). Питательные среды должны обязательно отвечать трем основным требованиям: 1) они должны содержать в достаточном количестве все необходимые питательные вещества (источники энергии, углерода, азота), соли и ростовые факторы;
Кроме того, питательные среды для лучшего определения культуральных свойств бактерий должны быть по возможности прозрачными. Наконец, они должны быть стерильными, не содержать посторонней » л микрофлоры. По назначению питательные среды подразделяют на следующие основные категории. Универсальные — среды, на которых хорошо растут многие виды патогенных и непатогенных бактерий. К ним относятся: мясо-пептонный бульон (МПБ = мясная вода + 1% пептона + 0,5% NaCl), мясо-пептонный агар (МПА — МПБ + 2-3% агара). Дифференциально-диагностические — среды, позволяющие отличать одни виды бактерий от других по их ферментативной активности или культуральным проявлениям. К ним относятся среды Эндо, Левина, Плоскирева, Гисса и многие другие. Селективные (синонимы: избирательные, элективные, обогатительные) — среды, содержащие вещества, используемые микроорганизмами определенных видов и не благоприятствующие или даже препятствующие росту других микроорганизмов. Селективные среды позволяют направленно отбирать из исследуемого материала определенные виды бактерий. Сюда относятся среды Мюллера, селенитовая, Рапопорт, 1%-ная пептонная вода и другие. Дифференциально-селективные — среды, сочетающие в себе свойства дифференциально-диагностических и селективных сред. Они используются, в частности, для ускорения обнаружения и идентификации бактерий, относящихся к большому числу широко распространенных видов энтеробакте-рий и псевдомонад (среды Сиволодского). Специальные — среды, специально приготовленные для получения роста тех бактерий, которые не растут или очень плохо растут на универсальных средах. К ним относятся среды Мак-Коя-Чепина (для получения роста возбудителя туляремии), кровяной МПА (для получения роста патогенных стрептококков), среда Левенштейна—Иенсена (для выделения возбудителя туберкулеза) и другие. Синтетические — среды строго определенного химического состава, представляющие собой растворы неорганических солей с добавлением химических соединений, которые служат источником углерода или азота. Примером такой синтетической среды является минимальная среда М-9, в которой источником энергии и углерода является глюкоза, а азота — NH4C1. Синтетические среды могут быть и более сложного состава с включением различных аминокислот, оснований и витаминов. Полусинтетические — синтетические среды, к которым добавляют какой-либо продукт природного происхождения, например, сыворотку крови. Существует много различных вариантов питательных сред, сконструированных с учетом потребностей соответствующих видов бактерий и диагностических целей. Лекция 5. КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА, РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ Синхронная культура — культура, клетки которой находятся на одной и той же стадии развития; деление всех клеток в С. к. происходит одновременно. Накопительная культура - начальный этап получения чистой культуры микроорганизма из природных субстратов. Заключается в создании элективных (избирательных) условий для роста организма определенного вида или группы сходных видов, при которых он (они) преодолевает(ют) конкуренцию других микроорганизмов. В качестве элективных факторов могут выступать–кислая реакция питательной среды (для получения культуры ацидофилов), отсутствие источника азота в среде (выделение азотфиксаторов), предварительное прогревание культуры (выделение спорообразующих бактерий) и др. Принцип элективности (син.: метод элективной культуры) — разработан С. Н. Виноградским. Заключается в подборе строго избирательных условий — питательной среды и других факторов — для выделения и культивирования определенных видов микроорганизмов с учетом их природных физиологических особенностей. Гнотобиотические культуры , аксенические культуры - стерильно выращенные культуры с точно известным составом организмов, включая микроорганизмы; чистые культуры. Гнотобиотические культуры используют для изучения питания и других аспектов жизни отдельных видов и чистых линий, для исследования взаимодействий двух видов, а также в поиске путей самоподдерживающихся экосистем.
Для выращивания бактерий используют следующие способы их культивирования: стационарный, глубинный с аэрацией и с использованием проточных питательных сред. Стационарный способ: питательные среды сохраняются постоянными, с ними никаких дополнительных манипуляций не производят. Однако при таком способе культивирования в жидких питательных средах, где преобладают анаэробные энергетические процессы, выход биомассы незначителен. Поэтому в связи с развитием микробиологической промышленности были разработаны принципиально новые способы культивирования, позволяющие получать гораздо больший выход биомассы или биологически активных соединений. К их числу относятся метод глубинного культивирования с аэрацией и метод использования проточных сред. Метод глубинного культивирования с аэрацией. Для выращивания с помощью этого способа применяют специальные устройства — реакторы. Они представляют собой герметические котлы (приспособленные автоклавы), в которые заливается жидкая питательная среда. Реакторы снабжены автоматическими приспособлениями, позволяющими поддерживать постоянную температуру, оптимальные рН и гН2, дозированное поступление необходимых дополнительных питательных веществ. Однако главная особенность таких реакторов в том, что они постоянно продуваются стерильным воздухом и в них установлены мешалки, с помощью которых среда постоянно перемешивается. Поэтому во всей питательной среде создается такая_концентрациясвободногоl кислорода, при которой энергетические процессы происходят в аэробных условиях, т. е. достигается максимальное использование энергии, заключенной в глюкозе, а следовательно, и максимальный выход биомассы. Для примера: выход биомассы при стационарном методе культивирования E.coli в МПБ через 18-20 ч составляет 1-2 млрд клеток на 1 мл среды, а при глубинном методе через 12-14 ч ■— 50-60 млрд клеток/мл среды. Использование проточных питательных сред позволяет создать условия, при которых клетки имеют возможность длительное время находиться в определенной фазе роста (экспоненциальной) при постоянной концентрации питательных веществ и в одних и тех же условиях, обеспечивающих непрерывный рост культуры. Непрерывные культуры микроорганизмов. Xарактерная кривая роста микроорганизмов приведена на рис.  Рис. Кривая роста микроорганизмов при периодическом культивировании. 1 – лаг-фаза; II – фаза ускорения роста; III – фаза экспоненциального роста; IV – фаза замедления роста; V – фаза стационарная; VI – фаза отмирания культуры Процессы культивирования разделяют на периодические и непрерывные. При периодическом режиме в культиватор одновременно закладывают все необходимое для роста микроорганизмов (субстраты) и некоторую “затравку” биомассы, после чего популяция микроорганизмов растет и развивается по своим законам. В некоторый момент времени производится изъятие биомассы. Затем процесс повторяется. Таким образом, снятие урожая производится периодически, и каждый раз популяция проходит через все стадии роста. Непрерывные культуры микроорганизмов это культуры, в которые все время добавляется питательная среды, а часть содержимого, в том числе живые организмы биомасса постоянно удаляется. Эти условия имитируют естественные проточные системы. Однако в отличие от естественных систем, условия среды и развития микроорганизмов в установках непрерывного культивирования в лабораториях и на промышленных предприятиях находятся под контролем и могут быть стабилизированы. Это позволяет проводить эксперименты с культурами микроорганизмов по изучению популяционных законов развития видов и их сообществ, наблюдать процессы микроэволюции. Для микроорганизмов, особенно автотрофных бактерий и дрожжей, условия выращивания довольно просты. Их выращивают в жидкой среде, представляющей собой раствор солей и простых органических соединений. Культуру содержат при постоянной температуре и перемешивают, причем из резервуара в нее постоянно поступает стерильная среда. (Рис.)  Рис. 1 – регулятор 2 – поступление субстрата, 3 – отток (вымывание) смеси субстрата и биомассы, 4 – культура внутри культиватора, 5 – мешалка При построении моделей в микробиологии в качестве равноправных переменных используют как концентрации микроорганизмов, так и концентрации различных растворимых органических и неорганических веществ: субстратов, ферментов, продуктов. В микробиологии общепринят эмпирический подход к построению моделей. Из всех факторов, влияющих на рост клетки, выбирают лимитирующий, и опытным путем находят зависимость скорости роста от его концентрации. Особый класс составляют задачи, где в процессе роста происходит смена лимитирования. В общем виде кинетика концентрации клеток в непрерывной культуре описывается уравнением:  (1.1)Здесь x – концентрация клеток в культиваторе; µ функция, описывающая размножение популяции. Она может зависеть от концентрации клеток x, концентрации субстрата (обычно обозначается S), температуры, рН среды и прочих факторов; n - скорость вымывания. В хорошо перемешиваемой культуре скорость вымывания зависит только от скорости протока. Если объем культиватора равен V, а скорость притока f, но величина, называемая разбавлением, определяется как D=f / V и тогда скорость вымывания микроорганизмов из культиватора n = – D (1.2) Без учета вымывания клеток рост биомассы описывается уравнением:  ) (1.3)При неограниченных ресурсах питательных веществ величина µ постоянна, и уравнение (1.2) описывает экспоненциальный рост популяции клеток. Если же какие-либо причины начинают лимитировать рост, величина µ будет уменьшаться. Для микробиологических систем обычно величина, лимитирующая рост, это концентрация субстрата. Наиболее распространенная форма записи, учитывающая насыщение скорости роста культуры по питательному субстрату, предложена Моно:  (1.4)Здесь mm -максимальная скорость роста микроорганизмов при данных условиях; KS - константа, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость роста культуры равна половине максимальной. График функции величины скорости роста от концентрации субстрата приведен на рис.  Рис. График зависимости скорости роста от концентрации субстрата в соответствии с формулой Моно (11.4) Вид уравнения Моно аналогичен формуле Михаэлиса-Ментен из ферментативной кинетики. И это не только формальное сходство. В основе жизнедеятельности любой клетки лежат ферментативные процессы. Скорость роста биомассы в конечном счете определяется скоростью переработки лимитирующего субстрата ферментом узкого места в метаболической сети. Пусть концентрация фермента на единицу биомассы равна E0. Тогда по закону Михаэлиса, скорость переработки субстрата единицей биомассы определяется формулой:  (1.5)Здесь Km - константа Михаэлиса, k - константа скорости реакции. Вся биомасса концентрации x обладает количеством фермента E0x, Следовательно, суммарная скорость убыли субстрата равна  (1.6)Предположим, что прирост биомассы пропорционален убыли субстрата:  (1.7)Обозначив K0=Km и µm = kE0/a, получим формулу (1.4). В формулах (1.4) и (1.6) имеются важные различия. Формула Михаэлиса-Ментен (1.6) относится к отдельной ферментативной реакции, все входящие в нее константы выражаются через скорости соответствующих биохимических реакций. В формуле Моно (1.4) константы скоростей KS и µm являются эффективными величинами и определяются по эмпирической зависимости скорости роста культуры от концентрации питательного субстрата. При моделировании конкретной культуры микроорганизмов часто нелегко выделить лимитирующий фактор. Здесь может играть роль соотношение коэффициентов растворимости различных веществ или проницаемости мембран клеток по отношению к этим веществам. Только специально поставленные эксперименты могут выделить управляющее звено - лимитирующий субстрат, который входит в формулу (1.4) В стационарном состоянии процессы размножения популяции и вымывания должны быть уравновешены. При непрерывном культивировании подбором скорости протока можно стабилизировать скорость роста популяции в любой точке на восходящей ветви кривой роста популяции. Для этого применяются различные способы управления скоростью протока. Основное их свойство обратная связь между приростом концентрации биомассы и удалением части популяции из ферментера. В различных культурах применяются разные физико-химические методы поддержания плотности культуры на разном уровне: турбидостатный, основанный на регулировании оптической плотности культуры, рН-статный для процессов, в которых имеется связь между приростом биомассы и изменениями рН, оксистатный для аэробных микроорганизмов. Эти способы управления дают возможность поддерживать культуру в условиях нелимитированного роста, когда скорость прироста биомассы определяется лишь собственной генетически обусловленной способностью популяции к размножению. При этом достигаются очень высокие скорости, которые особенно важны при изучении микроэволюционных процессов. Например, бактерии могут размножаться в турбидостате со скоростью, соответствующей средней продолжительности поколения - около 5 мин. Для поддержания культуры в области нелимитированного роста требуются внешние регуляторы. В случае лимитирования роста внешним фактором, например, недостатком субстрата, стационарный режим работы культиватора устанавливается путем саморегуляции. Это имеет место в природных проточных системах и в наиболее распространенном типе непрерывных культиваторов хемостате, где задается скорость разбавления культуры, или скорость протока. Наиболее устойчиво работает хемостат в пределах скорости протока, малых по сравнению с максимальной удельной скоростью роста культуры. В области сравнимых значений этих величин система становится неустойчивой: малые колебания скорости протока могут приводить к заметным изменениям концентрации биомассы и даже к вымыванию культуры из культиватора. Теория хемостата впервые была разработана Моно (1950) и Гербертом (1956) и с той поры постоянно совершенствуется. Однако, основы ее остались незыблемыми. На них мы и сосредоточим свое внимание. Модель Моно При непрерывном перемешивании можно считать весь объем культиватора однородно заполненным, концентрации субстрата и клеток в каждой точке культиватора одинаковыми, и описывать поведение этих концентраций во времени с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений:  (1.8)Здесь S - концентрация субстрата x - концентрация клеток в культиваторе S0 -концентрация субстрата, поступившего в культиватор D - скорость протока (разбавления) культуры a-1 - “экономический коэффициент, показывающий, какая часть поглощенного субстрата идет на приращение биомассы. Поясним смысл членов, входящих в правые части уравнений. В первом уравнении: m(S)x прирост биомассы за счет поглощения субстрата, Dx - отток биомассы из культиватора. Во втором уравнении : am(S)x количество субстрата, поглощенного клетками культуры, DS0 приток субстрата в культиватор, DS отток неиспользованного субстрата из культиватора. Скорость роста биомассы предполагается зависящей только от концентрации субстрата в соответствии с формулой Моно (третье уравнение). Исследуем тип стационарных режимов и переходных процессов в культиваторе, используя методы, изученные в лекциях (3-5). Введем безразмерные концентрации, время и скорость протока  Штрихи у новых переменных опустим. В новых переменных система имеет вид:  (1.9)Найдем стационарные концентрации биомассы и субстрата. Приравняем правые части уравнений нулю  (1.10)Система алгебраических уравнений (1.10) имеет два решения, следовательно, система дифференциальных уравнений (1.9) имеет два стационарных состояния  (1.11) (1.12)Примем во внимание, что безразмерная концентрация клеток x имеет смысл только при значениях x>0, а безразмерная концентрация субстрата y ограничена сверху значением y0=S0/K концентрацией притекающего субстрата. Легко видеть, что ненулевое стационарное значение биомассы (11.12) имеет смысл только в случае, когда безразмерная скорость протока D меньше определенной величины  (1.13)Граничное значение скорости протока называется скоростью вымывания. В размерном виде его величина равна:  (1.14)При скоростях протока, больших Dв, прирост биомассы не может компенсировать ее отток, и культура полностью вымывается из культиватора Некультивируемыми (НФ) называют такие формы микроорганизмов, которые в ответ на действие неблагоприятных факторов прекращают рост на питательных средах, но сохраняют жизнеспособность, а при улучшений условий культивирования возобновляют пролиферацию. Некультивируемое состояние (НС) обнаружено у многих патогенных видов. В связи с тем, что рутинные бактериологические методы не эффективны для обнаружения НФ, истинные размеры распространения феномена в объектах окружающей среды остаются мало изученными. С целью решения вопроса о значении феномена в эпидемиологии интенсивно изучаются индукторы НС и реверсии. Ежегодно публикуется большое количество работ на эту тему. Анализу литературы посвящен данный обзор. В настоящее время известно около 45 видов микроорганизмов, относящихся к 30 родам, у которых обнаружено НС. 30 видов патогенны для человека, 15 видов условно-патогенны или являются эубионтами человека, животных или растений. Среди бактерий, у которых обнаружено НС, есть возбудители таких грозных инфекций, как чума , холера , тулерямии , легионеллез . Более 60% видов, образующих НФ, грамотрицательны. Около 40% составляют бактерии, относящиеся к трем другим отделам царства Procariotae: грамположительные бактерии, микоплазмы и архебактерии. Эти факты указывают на универсальность некультивируемого состояния как общебиологического явления, расширяют первоначально сложившееся представление о спороподобном состоянии НФ и наглядно демонстрируют широкое распространение феномена в природе. Распространение НФ в природе. Данные литературы о скрининговых исследованиях окружающей среды, клинического материала на предмет присутствия в них НФ немногочисленны и противоречивы. Для выявления НФ в организме или клиническом материале наиболее широко используются молекулярно-генетические методы: полимеразная цепная реакция (ПЦР) и ее различные модификации, лигазная цепная реакция (ЛЦР), техника гибридизации тотальной клеточной РНК, ПЦР с обратной транскриптазой. Преимущество указанных методов является их высокая чувствительность и специфичность. Белки-шапероны, которые связываются с ДНК в процессе перехода в НС, могут препятствовать выявлению НФ в ПЦР . В водных объектах окружающей среды НФ можно обнаружить с помощью флуоресцирующих моноклональных антител (МКА), что позволяет определить видовую принадлежность бактерий, но неинформативно в отношении жизнеспособности клеток. Применение магнитных сорбентов повышает чувствительность метода, а использование набора специфических моноклональных антител к стабильным и лабильным эпитопам липополисахарида дает возможность судить о потенциальной жизнеспособности НФ . Перечисленные методы позволили выявить присутствие НФ патогенных бактерий в организме человека и животных, в продуктах питания, в объектах окружающей среды: в воде, в почве . Экспериментальные и гипотетические сведения об обнаружении НФ в окружающей среде дополняют работы об индукторах НС и реверсии. Лекция 6. УСЛОВИЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ Жизнь любого организма сводится к тому, чтобы в соответствии с имеющимся у него объемом генома полностью воспроизвести самого себя и реализовать свои функции, т. е. Обусловить индивидуальное развитие (жизнь) и произвести потомство. Это оказывается возможным потому, что в основе жизни каждого организма лежит непрерывное взаимодействие трех потоков информации:одного — из внешней среды и еще двух потоков генетической информации: по горизонтали, он обеспечивает индивидуальное развитие организма и реализацию его жизненных функций, и другого — по вертикали, который обеспечивает передачу потомству всех признаков родителей, т. е. наследственную непрерывность вида и самой жизни. Из этого вытекает следующее положение,которое, по-видимому, имеет общебиологическую закономерность — поведение всех живыхсуществ, как в интересах их индивидуального развития, так и ради сохранения вида,должно быть всегда адекватным имеющейся у них генетической информации и информации, воспринимаемой из внешней среды. Отступление от этого закона может привести к гибелиорганизма и вида. Единство организма с внешней средой заключается не только в том, что он получаетот нее необходимые для себя источники энергии, питания, а также другую информацию, но и в том,что, в свою очередь, он также воздействует на нее, изменяет ее и этик постоянно изменяет условиясвоего существования. Поэтому взаимосвязь организма с внешней средой должна быть постоянной ивзаимовыгодной.Чем больше объем генома, тем сложнее устроен организм, тем разнообразнее его собственная генетическая информация и та информация, которую он может воспринимать из окружающей среды и перерабатывать. Тем разнообразнее, сложнее и богаче проявляется его индивидуальная жизнь |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |  | Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Контрольный экземпляр находится на кафедре биохимии, микробиологии и биотехнологии |
| Учебно-методический комплекс учебной дисциплины «русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден и утвержден на заседании кафедры прикладной лингвистики и образовательных технологий... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «основы психотерапии» Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «психическая саморегуляция» Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии | | Учебно-методический комплекс дисциплины «психопатология» Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «невропатология» Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии | | Учебно-методический комплекс дисциплины «психогенетика» Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии | | Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры психологии развития и инноваций | | Учебно-методический комплекс дисциплины Туризм, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 20. 01. 2006 г. №739гум/бак Учебно-методический комплекс дисциплины... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «анатомия, физиология и патология... Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии | | Учебно-методический комплекс дисциплины Туризм, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 20. 01. 2006 г. №739гум/бак. Учебно-методический комплекс обсужден... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
