Лекция №5 1. Основные источники питательных веществ
реклама
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):
