Размножение бактерий и принципы их культивирования

8.1. Способы размножения бактерий

Термины «размножение бактерий» и «рост бактерий» часто используют как синонимы, хотя эти термины обозначают, строго говоря, разные явления. Под ростом бактерий понимают увеличение размеров бактериальной клетки, а под размножением бактерий – увеличение числа бактериальных клеток. Однако когда имеют в виду бактериальную популяцию в целом, то в этом случае термином «рост» обозначают увеличение количества особей в популяции. В последнем случае корректней использовать термин «рост бактериальной культуры».

А. Основной способ размножения для большинства бактерий – бинарное деление.

1. У грамположительных бактерий бинарное деление происходит путем формирования перегородки от противоположенных концов клеточной стенки к центру, где обе части перегородки сливаются, сформировав тем самым две самостоятельные клетки.

2. У грамотрицательных бактерий бинарное деление происходит путем образования перетяжки: клетка как бы истончается посередине, пока не разорвется на две самостоятельные клетки.

Б. Ряд бактерий могут делиться путем почкования (например, франциселлы, микоплазмы).

В. Те бактерии, которые формируют нитевидные формы, могут делиться путем их фрагментации (например, актиномицеты, микоплазмы).

Г. У стрептомицетов существует способ размножения экзоспорами.

Д. У хламидий существует особый цикл развития (см. ниже).

8.2. Цикл развития хламидий

Хламидии являются облигатными внутриклеточными паразитами и могут размножаться только внутри эукариотической клетки. Но при этом они должны обладать способностью сохраняться во внеклеточной среде, чтобы после выхода из своей клетки-хозяина найти и поразить последующую. У хламидий для этого существуют различные клеточные формы (Рис. 8-1 и 8-2).

Рис. 8-1. Общая схема жизненного цикла хламидий

Рис. 8-2. Электронограмма клетки, пораженной хламидиями (N – ядро, eb – элементарное тельце, rb – ретикулярное тельце)

А. Элементарное тельце выполняет инфекционную функцию – проникает в клетку-хозяина путем инвагинации места адсорбции.

Б. Ретикулярное (или инициальное) тельце размножается бинарным делением в образовавшемся цитоплазматическом пузырьке и формирует микроколонию, которая видна при микроскопии как цитоплазматическое включение.

В. Переходную форму от ретикулярного тельца к тельцу элементарному представляет промежуточное тельце. После того, как в микроколонии сформировалось множество новых элементарных телец, она сливается с клеточной мембраной и «изливается» наружу «урожаем» размножившихся хламидий, элементарные тельца которых отправляются на поиски новых клеток-хозяев.

8.3. Культивирование микроорганизмов и классификация искусственных питательных сред

Есть два основных принципа культивирования микроорганизмов – in vivo и in vitro.

А. Микроорганизмы – облигатные паразиты (риккетсии, хламидии, вирусы) можно культивировать только in vivo, т.е. внутриклеточно. Для этого используют методы, разработанные вирусологами и разбираемые в курсе вирусологии – культивирование микроорганизмов в культуре клеток, в птичьем эмбрионе, в организме лабораторного животного.

Б. Микроорганизмы – факультативные паразиты (т.е. все бактерии, кроме риккетсий и хламидий) можно культивировать in vitro – на искусственных питательных средах, которые классифицируются по своей консистенции, составу и назначению.

1. В зависимости от их консистенции искусственные питательные среды классифицируются на плотные, полужидкие и жидкие (Рис. 8-3).

а. Плотные питательные среды могут быть агаризованные и свернутые.

1. Агаризованные питательные среды называются так потому, что в качестве уплотнителя в их состав вводят агар – полисахарид, добываемый из морских водорослей определенных видов и используемый для уплотнения питательных сред в бактериологии по такому же алгоритму, как в быту крахмал или желатин. Для получения плотной питательной среды достаточно концентрации агара в пределах 1,5 – 2%. При этом могут использоваться или чашки Петри («пластинчатый агар») или пробирки (при наличии скоса –«скошенный агар» или «косяк», при его отсутствии – «столбик агара»).

Рис. 8-3. Питательные среды для культивирования бактерий (слева направо – пластинчатый агар, столбик, бульон, косяк)

2. Свернутые питательные среды – это плотные среды, содержащие сыворотку крови или обогащенные другим белком (яичные, например), которые уплотняются (как результат денатурации белка) при их прогревании в процессе стерилизации.

б. Полужидкие питательные среды содержат небольшое количество агара (примерно 0,5%).

в. Жидкие питательные среды не содержат уплотнителей. В принципе, любую жидкую среду можно превратить в плотную, или добавив к ней агар, или свернув содержащийся в ней белок (соблюдая в обоих случаях необходимую концентрацию уплотнителя).

2. По своему составу искусственные питательные среды классифицируются на натуральные и синтетические.

а. Натуральные искусственные питательные среды готовятся на основе отваров или экстрактов мяса, рыбы, овощей и др. натуральных продуктов. Натуральные питательные среды, свою очередь, классифицируют на простые и сложные. Именно преимущественно натуральные питательные среды используются в работе бактериологических лабораторий так называемого «практического здравоохранения».

1. Простые натуральные питательные среды, собственно, и представляют собой такие отвары или экстракты. К простым натуральным питательным средам относятся:

– мясопептонный агар (МПА) и мясопептонный бульон (МПБ), относящиеся к одной группе, так как агар не усваивается подавляющим большинством бактерий, и, следовательно, он не изменяет состав среды – только ее концентрацию;

– желатин;

– молоко;

– кусочки овощей.

2. Сложные натуральные питательные среды получают путем добавления в простые натуральные среды любого вещества (красителя, сахара, антибиотика, крови и т.д.).

б. Синтетические искусственные питательные среды получают, смешивая в растворе чистые химические вещества (как правило, соли). В отличие от натуральных питательных сред, это так называемые среды известного состава, так как количество содержащихся в них веществ точно задается рецептурой их приготовления. Синтетические искусственные питательные среды используются в основном в бактериологических лабораториях научных учреждений.

3. По своему назначению искусственные питательные среды классифицируются на основные, элективные (селективные), дифференциально-диагностические и консервирующие.

а. Основные искусственные питательные среды названы так потому, что с их помощью проводится основная работа бактериолога – накопление чистой культуры, ее «оживление» после длительного хранения и т.п. Основные питательные среды, в свою очередь, подразделяются на универсальные и специальные.

1. Одна и та же универсальная основная питательная среда может быть использована для культивирования многих видов бактерий. По своему составу это – простые натуральные питательные среды. Бактерии, которые можно культивировать на таких средах, называются бактериями с простыми питательными потребностями.

2. Специальная основная питательная среда используется для культивирования конкретного вида или группы бактерий. Бактерии, которые для своего культивирования нуждаются в специальных питательных средах, называются бактериями со сложными питательными потребностями.

б. Элективные (селективные, избирательные, обогащенные) искусственные питательные среды – это среды, содержащие вещества, используемые бактериями определенных видов и не благоприятствующие или даже препятствующие росту других бактерий. Такие среды служат для выделения конкретного вида бактерий из патологического материала. Выделение тех виды бактерий, для которых такие среды не разработаны, довольно затруднительно.

в. Дифференциально-диагностические искусственные питательные среды – это среды, позволяющие отличать одни виды бактерий от других по их ферментативной активности (чаще всего – по цвету образуемых ими колоний) или культуральным свойствам.

г. Консервирующие искусственные питательные среды – это среды, используемые, например, при доставке патологического материала в бактериологическую лабораторию; так как метаболическая активность на них бактерий сводится практически к нулю, то бактерии сохраняются, но не размножаются.

8.4. Требования к условиям культивирования бактерий

Для, того, чтобы успешно культивировать бактерии на искусственных питательных средах, необходимо учитывать не только их питательные потребности (простые или сложные, о чем было сказано выше), но и температуру культивирования, реакцию среды (рН), а также необходимые конкретному виду условия аэрации.

А. По оптимальной температуре культивирования бактерии классифицируются на три группы: термофилы, мезофилы и психрофилы.

1. Оптимальная температура культивирования термофилов составляет 50 – 60°С. По понятным причинам термофилы не составляют предмет изучения медицинской микробиологии.

2. Подавляющее большинство бактерий, имеющих медицинское значение, лучше всего растут при температуре человеческого организма, т.е. 37°С. Такие бактерии называются мезофилами.

3. Ряд патогенных для человека бактерий лучше всего растут при более низких температурах (от 6 до 20°С) и называются психрофилами.

Б. В зависимости от необходимой реакции питательной среды бактерии подразделяются на три основные группы, для обозначения двух из которых используются особые термины.

1. Те из них, которые лучше всего растут на кислых питательных средах, называются ацидофилами.

2. Бактерии, для культивирования которых необходимо использовать щелочные среды, называются алкалифилами.

3. Подавляющее большинство патогенных для человека бактерий растут на средах с нейтральным рН. Для обозначения этой группы бактерий никаких особых терминов не используется.

В. По требованиям к условиям аэрации во время культивирования, бактерии можно разделить на четыре основные группы.

1. Облигатные аэробы требуют во время культивирования постоянного доступа воздуха к поверхности питательной среды.

2. Анаэробы, наоборот, культивируются в безвоздушной среде.

3. Особого газового состава для своего культивирования требуют микрофилы (сниженного содержания кислорода) и капнофилы (повышенного содержания углекислого газа).

4. Факультативные анаэробы растут при любых условиях аэрации.

8.5. Характер роста бактерий на искусственных питательных средах

Характер роста бактерий зависит, прежде всего, от того, какая питательная среда – жидкая или плотная – используется для культивирования.

А. На жидких питательных средах (например, мясопептонном бульоне) для всего многообразия бактерий можно выделить четыре формы роста.

1. Большинство бактерий формируют диффузную муть (Рис. 8-4).

2. Так называемые «коховские бактерии», названные так потому, что их основные патогенные представители были открыты Кохом, – бациллы, микобактерии и вибрионы – образуют на поверхности бульона пленку.

3. Для стрептококков характерен так называемый придонный или пристеночный рост – осадок или мелкие хлопья у стенки пробирки при прозрачном бульоне.

4. Возбудитель чумы – Yersinia pestis – растет в виде пленки на поверхности бульона, от которой спускаются тяжи, похожие на сталактиты, может формироваться и осадок.

Б. На плотных питательных средах (например, мясопептонном агаре) рост бактерий зависит от способа их засева.

1. Если плотность засева большая, то бактерии формируют на поверхности агара сплошной налет – так называемый, «рост газоном» или «сливной рост».

2. Если засев проводится таким образом, что каждая бактериальная клетка лежит на поверхности агара на большом расстоянии от других, то, после многократных делений она формирует изолированную колонию (говорят еще об «изолированном росте»). А так, как колония – результат размножения одной клетки, то ее, с некоторыми допущениями, рассматривают как клональную культуру. Именно из материала отдельной, изолированной, колонии в процессе культурального метода исследования получают так называемую «чистую культуру» – культуру, содержащие клетки только одного вида. Все огромное многообразие, по их внешнему виду, колоний (Рис. 8-5) можно свести к двум основным типам.

Рис. 8-4. Рост бактерий на МПБ в виде диффузной мути (сравните с видом чистого МПБ на предыдущем рисунке)

Рис. 8-5. Колонии бактерий на пластинчатом агаре

а. S-форма колонии («гладкая») – гомогенная, с ровными краями, куполообразная, влажная, прозрачная или полупрозрачная. Все S-форма колоний схожи друг с другом, отличаясь у разных видов бактерий или их вариантов размером, а в случае пигментообразования или роста на дифференциально-диагностических средах – и цветом. S-форму колоний образуют:

– кокки,

– грамотрицательные палочки, кроме возбудителя чумы (Yersinia pestis).

б. R-форма колоний («шероховатая») – не гомогенная, с неровными краями, с самыми разнообразными вариантами расположения относительно поверхности питательной среды (от возвышающейся над ней до погруженной в нее, т.е. находящейся ниже поверхности питательной среды), непрозрачная. R-формы колоний различных бактерий могут резко отличаться друг от друга, для их описания порой используют сравнительный обороты (говорят, например, о колониях, похожих на цветок маргаритки у возбудителя дифтерии, похожих на цветную капусту или бородавку – у возбудителей туберкулеза и т.п.). R-форма колоний образуют:

– грамположительные палочки,

– возбудитель чумы (Yersinia pestis).

8.6. Стадии роста периодической бактериальной культуры

При выращивании бактерий в жидкой питательной среде можно постоянно отбирать выросшую бактериальную массу, удалять продукты метаболизма бактерий и добавлять новую полноценную питательную среду. Т.е. постоянно поддерживать оптимальные условия культивирования. В этом случае культура будет постоянно расти с максимальной скоростью. Такая культура называется хемостатной, потому что для ее получения используют специальные приборы - хемостаты, – которые и дают возможность совершать вышеописанные манипуляции. Такие культуры используются в промышленной микробиологии для получения полезных веществ – продуктов микробного метаболизма (антибиотиков, аминокислот и т.д.). Если же бактериальная культура выращивается в пробирке (именно такой способ используется в медицинской микробиологии), то с течением времени в питательной среде накапливаются продукты бактериального метаболизма, а питательная среда, наоборот, истощается. В результате, чтобы культура не погибла, ее необходимо периодически пересевать на свежую питательную среду. Такая культура называется периодической. В своем росте она проходит девять стадий (фаз) развития.

А. После внесения в питательную среду инокулята (посевной дозы), наступает лаг-фаза (Рис. 8-6). Деление клеток на этой стадии не происходит – бактерии как бы приспосабливаются к новой среде обитания; при этом некоторое количество их может погибнуть.

Б. Затем наступает фаза положительного ускорения (Рис. 8-7). Бактериальные клетки начинают делиться и скорость их деления постоянно увеличивается.

Рис. 8-6. Стадии роста периодической бактериальной культуры: лаг-фаза

Рис. 8-7. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза положительного ускорения

В. Наконец, скорость деления клеток достигнет максимального значения и останется таковой некоторое время (Рис. 8-8). Это экспоненциальная фаза (фаза логарифмического роста).

Г. Однако, со временем количество питательных веществ в среде снижается, а концентрация продуктов метаболизма бактериальных клеток увеличивается. В результате условия для размножения и роста бактерий ухудшаются, и скорость деления бактериальных клеток снижается – наступает фаза отрицательного ускорения (Рис. 8-9). Однако, на этой стадии количество живых бактериальных клеток в культуре все еще увеличивается, правда с постоянно снижающейся скоростью.

Рис. 8-8. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза логарифмического роста (экспоненциальная)

Рис. 8-9. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза отрицательного ускорения

Д. Стадия, во время которой в каждый конкретный момент времени количество вновь появившихся живых бактериальных клеток равно количеству погибших, называется стационарной фазой максимума (Рис. 8-10). Бактериальная культура, достигшая в этой фазе роста максимально возможной при данных условиях культивирования концентрации живых бактериальных клеток, называют остановившейся.

Е. Затем количество живых бактериальных клеток начинает уменьшаться с увеличивающейся скоростью. Эта стадия роста бактериальной культуры называется фазой ускоренной гибели (Рис. 8-11).

Рис. 8-10. Стадии роста периодической бактериальной культуры: стационарная фаза максимума

Рис. 8-11. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза ускоренной гибели

Ж. Стадия, во время которой эта скорость убывания живых бактериальных клеток становится максимальной, называется фазой логарифмической гибели (Рис. 8-12).

З. Со временем, однако, эта скорость начинает уменьшаться – наступает фаза уменьшения скорости гибели (Рис. 8-13).

Рис. 8-12. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза логарифмической гибели

Рис. 8-13. Стадии роста периодической бактериальной культуры: фаза уменьшения скорости гибели

И. В конце концов культура некоторое время будет состоять из минимального количества живых бактериальных клеток. Эта стадия роста бактериальной культуры называется стационарной фазой минимума (Рис. 8-14). Время, которое бактериальная культура сможет продержаться до своей гибели на этот минимуме, зависит как от вида микроорганизмов, так и от условий культивирования.

Рис. 8-14. Стадии роста периодической бактериальной культуры: стационарная фаза минимума

8.7. Методы создания анаэробных условий для культивирования бактерий

В зависимости от способа создания безвоздушной среды, все методы создания анаэробных условий для культивирования бактерий делят на физические, химические и биологические. Особняком стоит метод Китта-Тароцци, сочетающий в себе физические, химические и биологические способы создания безвоздушной среды обитания микроорганизмов.

А. Воздух, точнее кислород воздуха, можно удалить из среды культивирования бактерий физическими методами.

1. Можно использовать анаэростат – сосуд с герметической крышкой, из которого отсасывают воздух насосом. В такой сосуд помещают чашки Петри с посевами и после откачивания воздуха ставят (если он по своим размерам позволяет это сделать – такие небольшие анаэростаты называются микроанаэростатами) в термостат, где происходит культивирование бактерий.

2. Существуют, по сути, разновидности анаэростатов, в которых удаленный воздух замещается каким-нибудь инертным газом, например – в аппарате Кипа – водородом.

3. Один из наиболее распространенных способов создания анаэробных условий при культивировании бактерий используется в так называемых трубках Виньяль-Вийона. Этот метод прост в осуществлении и не требует какой-либо особой аппаратуры. В трубках Виньяль-Вийона осуществляется глубинное культивирование бактерий. Для этого бактериальная культура разводится в расплавленной и охлажденной питательной среде (в пробирках или пипетках – отсюда и название «трубки») с таким расчетом, чтобы бактериальные клетки находились на значительном удалении одна от другой. При застывании питательной среды бактериальные клетки оказываются «замурованными» в ее толще и при культивировании каждая из них формирует отдельную колонию (естественно, без доступа кислорода воздуха).

4. Анаэробные условия для культивирования бактерии создаются и в случае их засева уколом в высокий столбик полужидкого агара. Место укола тут же затягивается и бактерии растут в толще питательной среды.

5. Удалить воздух, растворенный в жидкой питательной среде, можно с помощью кипячения. При нагревании жидкости растворенный в ней воздух выходит в атмосферу, что мы и наблюдаем в виде «бурления». Такой процесс называется регенерацией питательной среды. Чтобы впоследствии при медленном охлаждении воздух вновь не растворился в питательном бульоне, его охлаждают очень быстро (например, под струей холодной воды).

6. Чтобы свести к минимуму диффузию атмосферного воздуха в питательную среду, ее поверхность покрывают слоем жидкого масла (например, вазелинового). В этом случае говорят о «культивировании под слоем масла».

7. При глубинном культивировании бывает трудно получить доступ к нужной колонии и извлечь ее из толщи питательной среды. Облегчает эту задачу метод Перетца: в чашку Петри заливается расплавленная и охлажденная питательная агаризованная среда, смешанная с бактериальной культурой, на поверхность которой осторожно помещается предметное стекло, которое слегка вдавливают в питательный агар. Те колонии, которые вырастают непосредственно под этим стеклом, после снятия последнего становятся легко доступными.

Б. Химические методы создания анаэробных условий для культивирования бактерий делятся на две группы.

1. Для связывания кислорода воздуха можно провести в замкнутом объеме (например, в эксикаторе с притертой крышкой) химическую реакцию, которая протекает с поглощением воздуха.

а. В методе Аристовского с этой целью используются сыпучие ингредиенты. В развитие этого метода современная микробиологическая промышленность выпускает специальные наборы, с помощью которых можно создать газовую смесь, как с полным отсутствием кислорода, так и с присутствием его, а также углекислого газа и азота, в определенных концентрациях, необходимых для культивирования бактерий с «нестандартными» требованиями к условиям аэрации.

б. В методе Омелянского с этой целью используются жидкие ингредиенты (пирогаллол и едкое кали).

2. Можно добавить в жидкую питательную среду вещества, связывающие кислород. Такие вещества называются редуцирующими. К ним относится, например, глюкоза, тиогликолевая кислота и ряд других.

В. В качестве биологического метода создания анаэробных условий для культивирования бактерий наиболее распространен (в различных модификациях) метод Фортнера. Принцип его состоит в том, что в замкнутом объеме (например, в парафинированной чашке Петри) одновременно культивируются анаэробы и так называемый «жадный аэроб» – вид бактерий, усиленно поглощающий при своем росте кислород. В качестве последнего наиболее часто используется энтеробактерия Serracia marcescens. Аэроб уничтожает весь кислород замкнутого объема, создавая тем самым условия для роста анаэроба.

Г. Метод Китта-Тароцци заключается в использовании для культивирования анаэробов одноименной питательной среды. Среда Китта-Тароцци состоит из мясопептонного бульона, содержащего глюкозу (в качестве редуцирующего вещества), регенерированного и залитого слоем масла, на дно пробирки помещают кусочки паренхиматозного органа (чаще – печени) для адсорбции растворенного в мясопептонном бульоне воздуха.