S-образная кривая закономерности роста популяции микроорганизмов характерна для периодической культуры. В лабораторных и промышленных условиях используют два способа культивирования микроорганизмов: периодический (статический) и непрерывный (проточный). В первом случае получают периодическую культуру, а во втором – непрерывную культуру.

Сбалансированный рост бактерий

Сбалансированный рост бактерий наблюдается в среде, к которой данные микроорганизмы полностью адаптированы. В период сбалансированного роста удвоение биомассы происходит с одновременным удвоением всех прочих параметров популяции: количества белка, ДНК, РНК, внутриклеточной воды.

Культуры бактерий, растущие сбалансировано, сохраняют постоянный химический состав. Кроме того, в такой культуре скорость прироста вещества клеток в любой выбранный момент пропорциональна числу и массе имеющихся в это время бактерий. Коэффициент этой пропорциональности называют удельной скоростью роста (µ). Данная величина вычисляется по установленной формуле и изменяется в зависимости от условий выращивания культуры.

Фазы развития бактерий в периодической культуре

Зависимость концентрации жизнеспособных клеток бактерий в периодической культуре от длительности инкубирования описывается кривой S-образной формы, на которой различают несколько фаз роста, сменяющих друг друга в четкой последовательности:

1. Начальная фаза (лаг-фаза, фаза задержанного роста) – охватывает промежуток времени между инокуляцией бактерий и достижением ими максимальной скорости деления. В клетках бактерий в этот период идут в основном процессы, связанные с приспособлением их к условиям культивирования (составу среды, температуре, рН и т. п.). Часто данную фазу делят на две:

2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза (III) – период времени, характеризующийся максимальной постоянной скоростью размножения бактерий и увеличением их числа в геометрической прогрессии. В течение экспоненциальной фазы все клетки бактериальной популяции имеют одинаковый размер, содержат максимальное количество РНК. Количество белка в них постоянно и максимально из возможного. Бактериальные клетки в данную фазу наиболее жизнеспособны и обладают высокой биохимической активностью.

3. Стационарная фаза – наблюдается в период, когда число жизнеспособных клеток достигает максимума и не увеличивается, поскольку скорость размножения бактерий равна скорости их отмирания. Поскольку скорость роста определяется концентрацией субстрата, то скорость роста начинает снижаться ещё до его полного использования. Поэтому переход от экспоненциальной фазы к стационарной происходит постепенно. Стационарную фазу часто подразделяют на:

  • фазу отрицательного ускорения (IV) – характеризуется уменьшением скорости размножения бактерий, удлинением периода их генерации;
  • максимальную стационарную фазу (V) – отражает динамическое равновесие между покоящимися, делящимися и отмирающими клетками.

4. Фаза отмирания – наблюдается экспоненциальное снижение числа живых клеток.Продолжительность данной фазы изменяется в зависимости от условий среды и физиологических особенностей микроорганизма.Фаза отмирания подразделяется на:

  • фазу ускорения гибели (VI) – период уменьшения количества бактериальных клеток, в основном, за счёт аутолитических процессов (процессов саморастворения);
  • фазу логарифмической гибели (VII) – отражает максимальную постоянную скорость отмирания бактерий с последующим из аутолизом (саморастворением);
  • фаза уменьшения скорости отмирания (VIII) – переход оставшихся в живых особей в состояние покоя.

Особенности развития бактерий в непрерывной культуре

Непрерывные бактериальные культуры выращивают в условиях непрерывного (проточного) культивирования в специальных сосудах. В такой сосуд, содержащий популяцию бактерий, подается свежая питательная среда. Одновременно из него удаляется часть среды с клетками микроорганизмов и продуктами его метаболизма. Такая система с постоянной концентрацией питательных веществ обеспечивает бактериям длительный период пребывания в любой фазе роста, в частности экспоненциальной фазе роста.

Благодаря постоянному сохранению условий существования бактерий, обеспечивается максимальный выход биомассы (при получении вакцин) или биологически значимых соединений (витаминов, антибиотиков, ферментов, аминокислот).

(c) Справочник AgroXXI