Стадии развития микроорганизмов

Для использования микроорганизмов в производстве необходимо всестороннее изучение их свойств, в том числе закономерностей роста и развития. Под ростом понимают увеличение биомассы за счет усвоенных им питательных веществ среды, а под развитием – изменение морфологических и физиологических свойств в процессе жизненного цикла.

Бактерии, дрожжи и микроорганизмы обычно размножаются почкованием и очень редко при большом дефиците питательных веществ и других неблагоприятных условиях – спорообразованием. Культивирование микроорганизмов может осуществляться периодическим и непрерывным способами.

При периодическом культивировании микроорганизмы последовательно проходят пять основных стадий (фаз) роста: лаг-фазу, экспоненциальную, или логарифмическую, замедленного роста, стационарную и отмирания. Характер этих стадий зависит от физиологического состояния клеток и различных факторов среды.

Лаг-фаза. В этой фазе происходит процесс приспособления микроорганизмов к новой среде и окружающим условиям. Численность микроорганизмов в этой фазе не увеличивается. Продолжительность фазы зависит главным образом от условий предварительного культивирования и от того, насколько пригодна для их роста данная питательная среда. В тех случаях, когда источники энергии и углерода в новой среде отличаются от тех, какие имелись в предшествующей культуре, адаптация к новым условиям может быть связана с синтезом новых ферментов, в которых ранее не было необходимости. Если молодые, только что делившиеся клетки внести в благоприятную среду, то лаг-фаза может отсутствовать.

Экспоненциальная, или логарифмическая фаза. Характеризуется максимальной для данной культуры скоростью размножения. В этой фазе клетки хорошо снабжены питательными веществами и не накопили еще вредных продуктов обмена. Большинство клеток в этой фазе физиологически молодые и биологически активные. Размножение микроорганизмов может быть определено прогрессией, подчиняющейся закону сложных процентов.

Фаза замедленного роста. Экспоненциальная фаза постепенно переходит в фазу замедленного роста. В этой фазе скорость размножения популяции постепенно снижается. Это объясняется тем, что через несколько часов после начала логарифмической фазы роста в питательной среде создаются неблагоприятные условия для размножения микроорганизмов: уменьшается концентрация питательных веществ и некоторых необходимых соединений в среде, изменяется рН, часть клеток переходит в состояние покоя и гибнет вследствие различных причин. Интенсивность деления клеток снижается, а гибель клеток возрастает, рост числа живых клеток происходит все медленнее.

Стационарная фаза. Эта фаза наступает тогда, когда абсолютное число клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Число вновь образующихся и число погибающих или переходящих в стадию покоя клеток приблизительно одинаковы. На протяжении этой фазы численность популяции не изменяется, скорость размножения равна скорости отмирания.

Число клеток в единице объема в стационарной фазе максимальное, их размеры близки к размерам клеток в исходном посевном материале. Это максимальное значение числа клеток является важным характерным признаком микроорганизма и зависит от внешних условий.

Фаза отмирания. В этой фазе скорость отмирания микроорганизмов превышает скорость их размножения. Число живых клеток уменьшается. Из-за начавшегося автолиза снижается и суммарная биомасса культуры. отмечаются морфологические и физиологические изменения, появляются инволюционные (необычные) формы клеток.

Фаза отмирания является прямой противоположностью логарифмической фазе. Если в логарифмической фазе достигает максимума скорость размножения, то в фазе отмирания – скорость отмирания, численность микроорганизмов быстро снижается, в живых остается небольшая часть клеток.

Таким образом, на различных стадиях развития культур микроорганизмов изменяется скорость роста их клеток. Одновременно со скоростью роста модифицируется и физиологическая активность микроорганизмов. быстрорастущие клетки потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена гораздо быстрее, чем клетки, рост которых начал замедляться. Первые более отзывчивы на воздействие среды: они легче синтезируют адаптивные ферменты и обладают меньшей устойчивостью к внешним факторам (повышенной температуре, осмотическому давлению, ядовитым веществам и др.).

В процессе роста культуры происходят изменения ферментного аппарата клеток. В связи с этим одни биохимические свойства клеток проявляются в период быстрого роста, другие же, наоборот – в период замедления и отмирания.