Влияние условий среды на выращивание микроорганизмов, индивидуальное развитие клетки

Индивидуальное развитие клеток
Важнейшее место в индивидуальном развитии вегетативных клеток принадлежит циклу деления ядра. Клетки высших животных и растений, большинства одноклеточных водорослей и протистов делятся митозом, сине-зеленые водоросли, актиномицеты и бактерии делятся амитотически.
Клетки водорослей и истинных бактерий делятся за счет врастания поперечной перегородки, клетки амеб, миксобактерий и микобактерий размножаются путем перешнуровывания, клетки жгутиковых и спирохет – продольным делением. Большинство дрожжевых организмов размножается почкованием. Почкование встречается и у актиномицетов, а также у своеобразной группы бактерий – Caulobacteriales.
У простейших существует «синтомическое» деление – ядро многократно делится, а клетка разрастается в крупное плазмодиальное образование, которое в дальнейшем распадается сразу на большое число мелких клеток. Нечто подобное наблюдается у грибов – фикомицетов и актиномицетов; они образуют многоядерные гифы, которые затем расчленяются на отдельные клетки (оидии, бластоспоры).

Жизненные циклы
Наряду с циклами клеточного деления существуют большие жизненные циклы (онтогенезы). Они выражаются в превращении вегетативных клеток в половые гаметы, покоящиеся споры, конидии, подвижные гонидии и прочие формы, завершающие нормальный жизненный цикл. При подходящих условиях эти формы прорастают в вегетативные клетки, и онтогенез повторяется заново.
Образование таких форм следует считать полезным биологическим приспособлением, позволяющим организму сохранять жизнь в обстановке, неблагоприятной для дальнейшего вегетативного роста и размножения.
Хотя в течение жизненного цикла половой процесс способствует перераспределению признаков родителей и образованию более удачных их комбинаций, он не является чем-то обязательным для низших организмов.
Поддерживая благоприятные для роста условия (метод проточных культур), можно заставить клетки размножаться вегетативным путем в течение неограниченно долгого времени. Толчком к превращению клеток в половые или покоящиеся споры служит изменение условий питания, препятствующее их дальнейшему вегетативному росту.

Споруляция
Споруляция у дрожжей и бактерий наступает под влиянием недостатка источников углерода или азота, тогда как температура, рН, аэрация и другие факторы среды не должны при этом выходить за пределы оптимума. Гансен еще в прошлом веке установил, что аскоспоры образуются молодыми, хорошо питавшимися дрожжевыми клетками после того, как они попадут в условия голодания.
Споры отличаются от вегетативных клеток и по своему химическому составу. Они содержат повышенное количество кальция, поэтому при его недостатке в среде спорообразование тормозится. В спорах обнаруживается 5-15% дипиколиновой кислоты, которая в вегетативных клетках отсутствует.
В спорах также увеличивается содержание α,ɛ-диаминопимелиновой кислоты, соединенной в виде высокомолекулярных пептидов с другими аминокислотами. Комплексы, которые образуются дипиколиновой кислотой и кальцием с веществами протоплазмы, как и уменьшенная влажность, обусловливают пониженную физиологическую активность и повышенную термоустойчивость спор.

Сложные жизненные циклы
Наряду с простыми циклами развития, существуют сложные жизненные циклы, состоящие не менее чем из двух разных онтогенезов, чередующихся друг с другом.
Сложным циклом развития обладает малярийный плазмодий. Он проходит цикл бесполого размножения в крови человека, а полового – в теле комара. У плесневых грибов онтогенез одного типа завершается копуляцией и образованием зигот, другой же онтогенез заканчивается образованием бесполых репродуктивных форм (конидий, спор, зооспор и пр.).
Каждая фаза сложного жизненного цикла приурочена к определенной среде обитания, поэтому наиболее сложная картина развития наблюдается у патогенных организмов, регулярно меняющих хозяев или переходящих от сапрофитного образа жизни к паразитарному.
Ход развития зеленых водорослей, обитающих в мелких водоемах, приурочен к изменениям условий среды, происходящим на протяжении суток: чередованию освещения и темноты, повышению днем концентрации растворенной углекислоты и азотистых веществ.
Зная зависимость между условиями среды и процессом развития, можно им сознательно управлять.

Фазы брожения и ферментации
Явление двухфазности бродильных процессов было открыто и обстоятельно изучено В. Н. Шапошниковым. Первая фаза соответствует периоду молодости культуры, вторая – периоду зрелости. В течение первой фазы происходит быстрый рост и размножение клеток, образуются более окисленные продукты брожения. Вторая фаза начинается с момента замедления роста культуры, характер бродильного процесса в это время резко изменяется, вместо окисленных продуктов начинают образовываться более восстановленные соединения.
Например, первая фаза ацетоно-бутилового брожения характеризуется преимущественным образованием масляной и уксусной кислот, тогда как во время второй фазы в среде накапливаются нейтральные продукты: бутиловый спирт и ацетон (рис.1).
Во время первой фазы других бродильных процессов преобладает уксусная кислота, а при наступлении второй фазы усиливается образование более высокомолекулярных кислот: у гетероферментативных молочнокислых бактерий – молочной кислоты, у пропионовокислых – пропионовой, у маслянокислых – масляной.
При спиртовом и гомоферментативном молочнокислом брожении изменения состава продуктов не наблюдается – эти брожения имеют однофазный характер.

Рис. 1. Ход развития культуры ацетобутиловых бактерий. Первая и вторая фазы брожения разграничены вертикальной пунктирной линией
1 – число бактерий;
2 – кислотность, мл 0,1 Н NaOH на 10 мл среды;
3 – количество сброженного сахара, г/100 мл;
4 – накопление ацетона, г/л.

Двухфазность процессов биосинтеза практически ценных продуктов
Двухфазность наблюдается при процессах биосинтеза антибиотиков (процессах ферментации). В течение первой фазы происходит быстрый рост грибного или актиномицетного мицелия, но антибиотики образуются лишь в небольших количествах. Они накапливаются главным образом с того момента, когда рост культуры начинает затухать.
Двухфазный характер имеют процессы образования пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина, террамицина и ряда других антибиотиков. Но у некоторых актиномицетов на определенных средах антибиотики образуются более или менее равномерно в течение всего развития культуры и, следовательно, двухфазность здесь отсутствует.
Двухфазность отмечается и при биосинтезе рибофлавина культурой Eremothecium ashbyii (рис. 2). Во время первой фазы указанный витамин накапливается главным образом внутри клеток. После этого в культуре появляются отмирающие клетки, суммарная дыхательная активность мицелия падает, и витамин начинает выделяться в среду. Особенно усиливается его выделение, когда между ростом и отмирание устанавливается равновесие, и общий вес мицелия перестает повышаться.

Рис. 2. Ход развития культуры Eremothecium ashbyii
1 – общее количество образовавшегося рибофлавина;
2 – рибофлавин в мицелии;
3 – сухой вес мицелия.
Колонки показывают интенсивность поглощения кислорода.

Двухфазность процессов биосинтеза практически ценных продуктов
Практически ценные продукты накапливаются главным образом во время второй фазы, поэтому для производственных целей очень важно знать условия, способствующие переходу процесса в эту фазу. При отсутствии необходимых условий вторая фаза может вовсе не наступить.
Причины изменения характера жизнедеятельности культуры в процессе ее развития могут быть весьма различными. Иногда после потребления запасов исходного субстрата микробы начинают окислять продукты собственного обмена, накопившиеся в среде.
Часто сдвиги обмена веществ, характерные для второй фазы брожения, зависят от возрастной физиологической изменчивости клеток.
Биосинтез многих антибиотиков связан с диссимилятивными процессами, развертывающимися в грибном или актиномицетном мицелии во время замедления его роста. В подобных случаях вторая фаза антибиотической ферментации может наступить только в период физиологической зрелости культуры, когда рост последней затухает.