Charakterystyka wzrostu mikroorganizmów w warunkach ciągłych i okresowych

Hodowle okresowe:

Bakterie wprowadzone do płynnej pożywki, a następnie inkubowane w odpowiednich warunkach będą się dzieliły do momentu, gdy którykolwiek z niezbędnych składników zostanie wyczerpany i stanie się czynnikiem limitującym dalszy wzrost. Jeżeli w ciągu tego czasu nie będą usuwane szkodliwe produkty metabolizmu, powstaje układ zamknięty, w którym wzrost mikroorganizmów nazywa się hodowlą okresową i podlega on takim samym prawom jak wzrost organizmu wielokomórkowego. Hodowla zachowuje się jak wielokomórkowy organizm z genetycznie uwarunkowanymi ograniczeniami wzrostu.

Wzrost hodowli bakteryjnej można zobrazować graficznie, przedstawiając wykres zależności logarytmu liczby komórek lub tylko liczby żywych komórek od czasu. Tego rodzaju typowa krzywa wzrostu ma kształt sigmoidalny i dzieli się na pewną liczbę faz wzrostu.

Faza zastoju. Zaraz po inokulacji bakterii do podłoża następuje okres braku wzrostu. W tej fazie zachodzi adaptacja bakterii do środowiska. Syntetyzują one nowe, potrzebne im enzymy oraz zwiększają swoje wymiary, przygotowując się do podziału komórkowego. Czas trwania tego okresu zależy od rodzaju inokulum. Jeśli inokulum pochodzi za świeżej hodowli w takim samym podłożu, faza zastoju jest krótka. Jeśli jednak inokulum jest stare lub podłoże zostaje zmienione na inne( szczególnie gdzy bakterie przenoszone są z bogatego podłoża do ubogiego), to faza zastoju wydłuża się.

Faza wzrostu wykładniczego (logarytmicznego). Gdy bakterie zaczną się już dzielić, ich liczba wzrasta w stałym tempie, które odzwierciedla czas ich podwojenia. U wielu bakterii wielkość komórki i zawartość białek podczas fazy logarytmicznej jest stała. O takiej hodowli mówi się, że zawiera ona „komórki standardowe”. Podczas fazy logarytmicznej czas generacji pozostaje stosunkowo niezmienny.

Faza stacjonarna. W miarę wzrostu liczby bakterii zużywają one wszystkie dostępne substancje odżywcze i wytwarzają toksyczne produkty odpadowe. W pewnym momencie osiągany jest punkt, od którego liczba bakterii nie przyrasta, a krzywa wzrostu ulega spłaszczeniu. Podczas tego stanu komórki nadal funkcjonują. Niektóre z nich umierają, lecz jest to bilansowane przez niewielką liczbę kontrolowanych podziałów komórkowych. Poza ograniczeniem ilości substratu, także inne czynniki , takie jak duża gęstość populacji i niskie ciśnienie parcjalne, mogą prowadzić do spowolnienia szybkości wzrostu i zainicjowania fazy stacjonarnej. Podczas tej fazy mogą być zużywane materiały zapasowe, ulega degradacji część rybosomów, ale enzymy nadal są syntetyzowane. Te różnorodne procesy zależą od natury czynnika ograniczającego wzrost. Jeśli energia niezbędna do podtrzymywania procesów komórkowych jest dostarczana dzięki wykorzystaniu materiałów zapasowych lub białek, bakterie mogą pozostawać żywe przez stosunkowo długi okres.

Faza zamierania. Po pewnym czasie tempo zamierania komórek zaczyna przewyższać tempo ich podziałów i liczba żywych komórek maleje. Komórki ulegają lizie wskutek wydzielania enzymów komórkowych i hodowla staje się mniej gęsta.

Hodowle ciągłe:

W hodowli okresowej warunki hodowli podlegają ciągłej zmianie – gęstość bakterii wzrasta, a stężenie substratu maleje. Hodowle ciągłe umożliwiają utrzymanie przez dłuższy czas takich warunków, w których utrzymywałoby się stałe stężenie substratu i innych parametrów hodowli, a komórki są stale w fazie logarytmicznej. Pewnym przybliżeniem takiej sytuacji jest częste przenoszenie populacji komórek do świeżego podłoża. Cel ten można osiągnąć przez ciągłe dodawanie nowego podłoża do rosnącej populacji, z jednoczesnym odprowadzaniem tej samej objętości hodowli. Metoda ta polega na hodowli ciągłej prowadzonej w chemostacie lub turbidostacie.

Hodowla w chemostacie. Chemostat składa się z naczynia hodowlanego i zbiornika, który dostarcza świeże podłoże ze stałą szybkością. W celu osiągnięcia optymalnego zaopatrzenia w tlen i równomiernego rozprowadzenia substancji odżywczych w naczyniu hodowlanym stosuje się wymuszone nawietrzanie i mechaniczne mieszanie hodowli bakteryjnej. Nowa pożywka jest ciągle, ze stałą szybkością dodawana do naczynia hodowlanego i z ta samą szybkością hodowla bakterii jest odprowadzana. Hodowla w chemostacie jest kontrolowana za pomocą stężenia substratu, tzn. stabilność układu opiera się na regulowaniu szybkości wzrostu za pomocą określonego substratu. Kiedy szybkość rozcieńczania powoduje wypłukiwanie komórek, obserwujemy tylko minimalne różnice w gęstości bakterii. W tym zakresie bakterie reagują na zwiększanie szybkości rozcieńczania skracaniem czasu generacji (czyli zwiększaniem szybkości wzrostu). Zwiększenie szybkości rozcieńczania, podobnie jak zwiększanie szybkości dopływu pożywki wraz ze skracaniem czasu generacji, powoduje zwiększoną produkcję bakterii.

Wzrost w turbidostacie. Hodowle ciągłe w turbidostacie należy odróżniać od hodowli w chemostacie. Jak sugeruje nazwa, hodowla jest oparta na utrzymaniu stałej gęstości bakterii, czyli stałego zmętnienia. Gęstość hodowli reguluje dopływ pożywki za pomocą zaworu. Naczynie hodowlane zawiera wszystkie składniki odżywcze w nadmiarze, a bakterie rosną z prawie maksymalną szybkością. Prowadzenie hodowli w turbidostacie jest technicznie bardziej skomplikowane i wymagające niż w przypadku chemostatu.