Лекция №5 1. Основные источники питательных веществ

Лекция №5
Рост и питание микробов
План лекции:
1. Основные источники питательных веществ
2. Типы питания, выращивание микробов
3. Рост в периодической и непериодической культуре
Рост и питание микробов
Для роста микроорганизмов необходима вода и питательные вещества.
Питательные вещества - это растворимые в воде соединения, из которых
микроорганизмы строят свои клетки и получают энергию.
Требования, предъявляемые к питательным средам
-должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка, в такой
форме, в которой микроорганизмы способны их усваивать.
Потребность в химических элементах
Макроэлементы: С, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe.
Микроэлементы: Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, V, B, Cl, Na, Se, Si, W и др.
Большинство из этих микроэлементов необходимы лишь в следовых
количествах, содержатся в солях макроэлементов, а также попадают в
питательную среду из стекла и лабораторной посуды.
Источники питательных веществ
Источники углерода и энергии.
Углерод необходим микроорганизмам для построения клеток и в
качестве источника энергии. Организмы, получающие энергию с помощью
фотосинтеза или путем окисления неорганических соединений, способны
использовать углекислый газ в качестве источника углерода. Это Савтотрофные организмы.
Остальные организмы получают клеточный углерод из органических
веществ (полисахариды – целлюлоза и крахмал). Это гетеротрофы.
Кислород
Молекулярный кислород служит акцептором электронов при аэробном
дыхании; кислород при этом восстанавливается до воды.
Атомарный кислород может поступать с углекислым газом, метаном и
органическими соединениями с длинной цепью.
По отношению к молекулярному кислороду выделяют три группы
организмов:
способны получать энергию только
облигатные аэробы
путем дыхания и поэтому нуждаются
в кислороде
могут расти только в среде,
облигатные анаэробы
Факультативные анаэробы
-аэротолерантные
лишенной кислорода; кислород для
них токсичен
растут как в присутствии, так и в
отсутствии кислорода.
Молочнокислые бактерии могут
расти в присутствии атм. кислорода,
но не способны его использовать-они
получают энергию с помощью
брожения.
Энтеробактерии и дрожжи способны
переключаться
с
дыхания(в
присутствии кислорода) на брожение
(в отсутствии кислорода).
Сера и азот.
Большинство микроорганизмов способно поглощать эти элементы в их
окисленной форме, в виде сульфата и нитрата; которые они могут
восстанавливать. Наиболее обычный источник азота для микробов – соли
аммония. Некоторые прокариоты способны восстанавливать молекулярный
азот (почвенные ризосферные), некоторые нуждаются в аминокислотах.
Не все микроорганизмы могут восстанавливать сульфат, некоторым в
качестве источника серы нужен сероводород или цистеин.
Выращивание микроорганизмов
Для культивирования микроорганизмов в лабораторных условиях
готовят питательные среды, в которые вносят большинство необходимых
элементов в виде солей.
Приведем пример простой
синтетической питательной среды:
К2НРО4 – 0.5 г
NH4Cl – 1 г
MgSO4×7 H2O – 0.2 г
FeSO4×7 H2O – 0.01 г.
CaCl2×2 H2O – 0.01 г
Глюкоза – 10 г.
Вода – 1000мл
Р-р с микроэлементами – 1мл.
Помимо элементов минерального питания и источников углерода и
энергии многие микроорганизмы нуждаются в дополнительных веществах,
называемых факторами роста.
Это три группы соединений:
1. аминокислоты
2. пурины и пиримидины
3. витамины
Они входят в состав клетки, но не все организмы способны их
синтезировать сами.
Это ауксотрофные микроорганизмы.
Пример растворов витаминов,
пригодных для почвенных и водных бактерий:
Биотин – 0.2 мг
Никотиновая кислота – 2.0 мг
Тиамин – 1.0 мг
Пантотенат – 0.5 мг
Пиридоксамин – 5.0. мг
Цианкобаламин – 2.0 мг
Дистиллированная вода – 100 мл
2-3 мл раствора витаминов добавляют к
1000мл питательной среды
Типы питания
По способу питания микроорганизмы классифицируют на типы:
Способны использовать в качестве
Фототрофные
1. анаэробные, не выделяющие источника энергии для роста ЭМИ
молекулярного кислорода
(свет)
2. аэробные цианобактерии, на
свету выделяют кислород
Получают энергию в результате
Хемотрофные
окислительно-восстановительных
реакций с участием субстратов,
которые служат для них источником
питания
Используют в качестве доноров
Органотрофные
водорода органические соединения
Используют неорганические доноры
Литотрофные
электронов (H2, NH3, H2S, S, Co, Fe2+
и др.)
Зеленые растения, цианобактерии и пурпурные серобактерии относят к
фотолитотрофам, нитрифицирующие бактерии – к хемолитотрофам,
животных и основную массу микроорганизмов – к хемоорганотрофам.
Рост в периодической культуре
При внесении бактерий в питательную среду они обычно растут до тех
пор, пока содержание какого-нибудь из необходимых им компонентов среды
не достигнет минимума, после чего рост прекращается. Если на протяжении
этого времени не добавлять питательных веществ и не удалять конечных
продуктов обмена, то получим так называемую периодическую культуру
(популяцию клеток в ограниченном жизненном пространстве). Рост в
такой закрытой системе подчиняется закономерностям.
Кривая, описывающая зависимость логарифма числа живых клеток от
времени, называется кривой роста. Типичная кривая роста имеет Sобразную форму и содержит несколько фаз роста:
Начальная или лаг. фаза. Эта фаза охватывает промежуток времени
между инокуляцией и достижением максимальной скорости деления.
Продолжительность этой фазы зависит от предшествовавших условий
культивирования и возраста инокулята, а также от того насколько пригодна
для роста данная среда. Если инокулят взят из старой культуры (в
стационарной фазе роста), то клеткам приходится сначала адаптироваться к
новым условиям путем синтеза РНК, образованием рибосом и синтеза
ферментов. Если культура взята из среды с отличающимся составом, то ей
придется адаптироваться.
Экспоненциальная фаза. Характеризуется постоянной максимальной
скоростью деления клеток. Эта скорость зависит от вида бактерий, а также от
среды. Энтеробактерии делятся через каждые 15-30 мин. Многие почвенные
бактерии через 60-150 мин. В связи с тем, что в экспоненциальной фазе
скорость деления клеток относительно постоянна, эта фаза наиболее удобна
для определения скорости деления (и скорости роста). Изучая влияние
факторов среды (рН, окислительно-восстановительного потенциала,
температуры, аэрации и т.д.), а также пригодности различных субстратов,
следят за увеличением числа клеток, а также за мутностью клеточной
суспензии во время экспоненциального роста.
Стационарная фаза. Наступает тогда, когда число клеток перестает
увеличиваться. Скорость роста зависит от концентрации субстрата – при
уменьшении этой концентрации, еще до полного использования этого
субстрата, она начинает снижаться. Скорость роста может снижаться не
только из-за нехватки субстрата, но и из-за большой плотности
бактериальной популяции, или накопления токсичных продуктов обмена.
Фаза отмирания. Причины гибели в нормальных питательных средах
изучены не полностью. Иногда это происходит из-за накопления кислот, или
клетки гибнут под действием собственных ферментов (автолиз).
Параметры кривой роста
Урожай.
Под урожаем понимают разность между максимальной и исходной
массой бактерий: X= Xмакс – X0. эту величину выражают в граммах сухого
вещества.
Скорость экспоненциального роста. Это мера скорости роста клеток
в экспоненциальной фазе. Ее вычисляют из начальной и конечной плотности
бактерий x0 и xt, в моменты t0 и t по формуле:
,
где lge =0.43429. Время удвоения
. Для стандартных клеток
Длительность лаг - фазы (Т1). Это параметр очень важный для
суждения о свойствах бактерий или о пригодности среды. Его определяют
как промежуток времени между моментом tr , в которой культура достигла
определенной плотности xк, и моментом ti , в который она могла бы достич
такой же плотности, если бы сразу после инокуляции начинался
экспоненциальный рост (1-лаг-фаза, r-реальный рост, i-идеальный рост):