Растеж и размножаване на бактериите

Микроорганизмите могат да съществуват и осъществяват жизнената си дейност единствено при наличие на благоприятни условия на средата - подходящи хранителни вещества, температура, pH, влажност и пр. При попадане на бактериалните клетки в подходящи условия те започват да растат и да се размножават. Растежът на бактериалната клетка представлява увеличаване на обема и масата на бактериалната цитоплазма в резултат на метаболитната активност и синтезата на клетъчен материал. След достигане на определен обем и зрялост е възможно реализирането на процесът на размножаване и увеличаване на бактериална популация. Бактериите се възпроизвеждат чрез двойно или просто напречно делене (вегетативно размножаване), което е най-честия способ за бактериална репродукция. Интервалът от време, необходим за разделянето на прокариотната клетка на две същински дъщерни клетки, е известен като генерационен период (генерационно време).

Растежът и размножаването на бактериите при отделните видове протича в различен времеви интервал. Средната продължителност на генерационния период при повечето бактерии е порядъка на 15-25 мин, като в някои случаи може да достигне и до 35 и повече мин. Така например коли бактериите (Escherichia coli) се разделят на всеки 15-17 минути, причинителят на коремния тиф (Salmonella typhi) - всеки 23 минути, патогенните стрептококи - на всеки 30 минути, дифтериите - на всеки 34 минути, а туберкулозните бактерии - на всеки 18-20 часа. При генерационен период от 30 минути една-единствена бактериална клетка за 24 часа може да даде 48 поколения. Размножаването им може да бъде представено със следната формула - b = a.2ⁿ, където "b" е броят на поникналите микроби, "a" е броят на посетите в хранителната среда клетки, а "n" е броят на генерациите. С тази формула се обяснява причината за формирането на бактериални колонии върху твърди хранителни среди в течение на 24 часа при посяване бактерии с късо генерационно време. Този процес е значително по-дълъг при култивиране на туберкулозните причинители.

От посоченото по-горе следва, че микробната репродукция би трябвало да протича в геометрична прогресия, но на практика това не се получава, тъй като при култивиране в затворена хранителна среда, концентрацията на хранителни вещества намалява, а тази на отпадните продукти се повишава. Това ограничава жизнената дейност на микроорганизмите и в крайна сметка може да доведе до загиване на цялата им популация.

Растежът и размножаването на бактериите върху хранителни среди може да бъде изобразен схематично като отношение на клетъчния брой спрямо времето на инкубация. По този начин могат да се диференцират четири основни фази в процеса на култивиране.

1. Lag-фаза (фаза на задръжка) - представлява период, през който микроорганизмите се внасят в свежа хранителна среда и броят им обикновено не се увеличава в продължение на 1-2 часа. През тази фаза бактериите се приспособяват към условията на култивиране, и въпреки че не настъпва клетъчно делене, в микроорганизмите се извършва синтеза нови цитоплазмени компоненти и натрупване на клетъчна нуклеинова киселина, витамини, ензими и др. Фазата на задръжка, преди да започне клетъчното делене, може да се дължи на различни обстоятелства. Бактериалните клетки могат да са функционално изчерпани, остарели, с недостатъчност на АТФ, основни кофактори и рибозоми. Тази фаза, в процесът на култивиране варира значително по време в зависимост от състоянието на микроорганизмите и естеството на средата.

2. Експоненциална фаза (Log-фаза) - характеризира се с размножаване на бактериите в геометрична прогресия при максималната възможна скорост и делене на клетките в рамките на генерационния период. Скоростта на възпроизводство през тази фаза може да се увеличи със скъсяване на генерационното време чрез използване на подходящи хранители среда и създаване на оптимални условия за развитие. В периода на Log-фазата скоростта на растеж е постоянна, като микроорганизмите се делят и удвояват на брой през редовни интервали, а кривата на растежа на бактериалната популация се издига плавно. В тази фаза бактериалните култури са възможно най-унифицирани по отношение на химичните и физиологичните си свойства, поради което предимно експоненциално-фазовите култури се използват в биохимични и физиологични изследвания.

3. Стационарна фаза - развитието на бактериалната популация спира и кривата на растежа става хоризонтална. Причината за появата на тази фаза е изчерпването на хранителните вещества в средата на култивиране и на трупване на отпадни метаболитни продукти. В стационарната фаза общият брой на жизнеспособни микроорганизми остава постоянен, което вероятно се дължи на баланса между клетъчното делене и клетъчната смърт, или е в резултат на преустановено клетъчно делен при запазена метаболитна активност. Продължителността й е няколко часа и след нея настъпва загиване на микроорганизмите.

4. Фаза на отмиране - поради настъпване на неблагоприятни промени в условията на среда, като изчерпване на хранителни вещества и натрупване на токсични отпадни продукти, се наблюдава постепенно намаляване на броя на жизнеспособните клетки. Отмирането на микробната популация, подобно на нейния растеж по време на експоненциалната фаза, обикновено е логаритмично (т.е. постоянен процент от клетките загиват всеки час). Въпреки че по-голямата част от микробната популация обикновено отмира плавно, смъртността може да намалее, след като клетъчният брой намалее. Това се дължи на удължената преживяемост на силно устойчивите клетки. Времетраенето на фазата на отмиране е различна и варира от няколко дни до няколко месеца. Дължината на всяка фаза е крайно различна, тъй като тя може да варира в зависимост от вида на бактериите и условията на култивиране.

Натрупаните данни за растежа и фазите на размножаване на специфични микроорганизми дават възможност за създаване на подходящи хранителни среди и оптимални условия за развитие, които са от изключителна важност за микробиологичната диагностична практика. С тези средства се постига ускоряване размножаването на култивираните прокариотни клетки, което скъсява сроковете за поставяне на диагнозата. Познаването на нормалното местообитание на микроорганизма, често е полезно при избора на подходяща хранителна среда, тъй като изискванията му за хранителни субстрати отразяват естествената му среда. Съществува голямо разнообразие от хранителни среди с различни цели и приложения - използват се за изолиране и поддържане на чисти бактериални култури, а също така и за идентифициране на бактерии в съответствие с техните биохимични и физиологични свойства.

Изисквания към хранителните среди за растежа и размножаването на бактериите в лабораторни условия:

• да могат да се асимилират лесно от микроорганизмите;
• да съдържат подходящ количество азот-съдържащи и въглехидратни субстрати, витамини, минерален състав;
• да са изотонични и стерилни;
• да притежават буферни свойства, оптимален вискозитет и определен окислително-редукционен потенциал.

Факторите на средата при култивиране оказват съществено влияние върху растежа на бактериите. Такива са киселинността (рН), температура, влажност, макро- и микронутриенти, аерация, на концентрация на токсините. За всеки бактериален вид са определени оптимални условия, при които се осъществява жизнената му дейност, но в случаите, когато са извън тези условия, стресът може да доведе до понижен или забавен растеж, преминаване в латентно състояние (като формиране на спори) или смърт.