Случаи протекания процесса роста ассоциации двух микроорганизмов

Астраханский Государственный Технический Университет Кафедра

«Прикладная биология и микробиология»

Реферат по дисциплине

«Физиология роста микроорганизмов»

на тему:

«Случаи протекания процесса роста ассоциации двух микроорганизмов»

Выполнил: ст. гр. ДБМ-31

Домашенко И.

Проверил: к.б.н.

Лактионов А. П.

Астрахань 2007

1. Случаи протекания процесса роста ассоциации двух микроорганизмов

Поведение смешанных культур, т. е. смеси организмов различных типов имеет большое значение для экологии микроорганизмов в почве, воде, при изучения болезней и порчи продуктов. Кроме того, смешанные культуры имеют важное значение в приготовлении пищевых продуктов брожения и изготовлении таких, например, микробных продуктов, как аспарагиновая кислота. Исходя из принципов роста смешанной культуры, мы можем предсказать результат загрязнения культуры или селекции какого-либо типа мутанта. Из-за сложности по ведению смешанных культур использование математических моделей различных систем для описания и предсказания поведения культуры приобретает особенно важное значение.

Конечный результат смешанной культуры в хемостате может существенно отличаться от результата в периодической культуре. В периодической культуре каждый вид способен увеличить свою биомассу со скоростью, которая будет некоей функцией химических и физических условий окружающей среды, если один из видов не образует агентов, прекращающих рост другого, или если там нет взаимодействия хищник — жертва. Напротив, в хемостатной культуре все виды, удельная скорость роста которых меньше скорости разбавления, будут уменьшать свою численность и вследствие этого могут исчезнуть из культуры.

Табл. 1.

Для того чтобы обозначить разные типы взаимодействия видов, иногда используются различные термины, такие, как комменсализм, симбиоз и паразитизм. Однако эти термины во многом перекрываются по смыслу и не могут удовлетворить некоторым типам взаимодействий, приведенных в табл.1.

1.1 Свободная конкуренция

Результат конкуренции за один лимитирующий субстрат между двумя видами определяется влиянием концентрации этого субстрата на удельную скорость роста каждого вида. Если зависимость была бы для каждого вида одинакова, не было бы никакой конкуренции. Однако, вероятнее всего, эти зависимости различны и являются каким-то из вариантов, показанных на рис. 1. В периодической культуре, если начальная концентрация лимитирующего субстрата значительно превышает значение К каждый вид будет расти с максимальной для него скоростью, до тех пор пока лимитирующий субстрат практически не истощится. В хемостатной культуре, напротив, после начального переходного процесса один из организмов с большей скоростью роста будет вытеснять другой из культуры. Если есть «пересечение» зависимостей как по казано на рис. 1, Б, то какой из видов будет расти быстрее, зависит от скорости разбавления в хемостате.

Меерс сообщил о первом примере «точки пересечения» двух видов в хемостатной культуре. Он обнаружил, что в хемостатной культуре Bacillus subtilis вместе с Candida utilis, лимитированной по магнию при скоростях разбавления ниже 0,08 ч^-1,

вид Candida вытесняет вид Bacillus, а при высоких скоростях разбавления Bacillus вытесняет Candida. Однако здесь проявлялось также влияние объема засева, а именно если Bacillus, добавляли в концентрации 10^г/мл, то в любом случае она вымывалась. Было высказано предположение, что такое влияние объема засева можно объяснить следующим образом: Bacillus, по-видимому, нуждается для своего роста в каком-то продукте, секретируемом в среду, который стимулирует поглощение ионов магния. При малых плотностях культуры этот продукт не может достигнуть достаточной концентрации.

1.2 Контролируемая конкуренция

При условиях класса 1б (табл.) два вида с одним лимитирующим субстратом удерживаются в хемостате, если вид, растущий быстрее, ингибирует свой рост собственным продуктом (рис. 2).

Если принять, что продукт вида, А конкурентно ингибирует поглощение лимитирующего субстрата видом А, а р—концентрация продукта, то скорость роста для вида, ингибированного продуктом, будет выражаться следующим равенством:

Для другого вида имеем:

Если, когда р = 0, то при увеличении р возможно т. е. оба вида удержатся в хемостатной культуре, и система должна стать саморегулирующейся. Подобный контроль можно было бы применять при условии, что продукт является неконкурентным ингибитором роста.

В условиях класса 1с два вида, конкурирующие за один субстрат, удерживаются в хемостатной культуре, если вид А, растущий быстрее, образует активатор роста для вида В (рис. 75). для зависимостей для вида, А пишем, а для вида В:

где — функция, которая увеличивается с увеличением концентрации активирующего продукта (р). Предполагается, что при р = О и; При увеличении р увеличивается так, что

Брюннер и др. сообщили, что Serratia marcensces и Е. coli, очевидно, конкурировали за один и тот же источник субстрата в хемостате, причем устойчивая смешанная культура с преобладанием Е. coli наблюдалась при малых скоростях разбавления, а с преобладанием Serratia marcensces — при больших. Механизм, позволяющий обоим видам сосуществовать, в этом случае не был установлен.

1.3 Два вида с разными лимитирующими субстратами

Условия для удержания двух видов в хемостатной культуре, отнесенные в табл.1 к классу II, сводятся к присутствию в среде двух разных лимитирующих субстратов для видов, А и В в концентрациях и соответственно. Это не исключает возможности, что каждый вид может использовать оба лимитирующих субстрата. Полная скорость описывается уравнением накопления лимитирующего субстрата для вида А:

(1)

где буквами, а и b обозначены параметры видов, А и В соответственно. Член означает экономический коэффициент вида, А по его лимитирующему субстрату. Параметр — метаболический коэффициент для поглощения лимитирующего субстрата вида, А видом В. Если, то уравнение (1) аппроксимируем:

(2)

что идентично выражению для поглощения лимитирующего субстрат в чистой культуре. Если подобное же уравнение можно получить для вида В и его лимитирующего субстрата, то рост двух видов будет суммой роста каждого из них на лимитирующих субстратах.

1.4 Продукт одного вида как субстрат для другого

В условиях класса IIб (табл. 1) роль лимитирующего субстрата для одного вида играет продукт, образуемый другим видом. Примером может служить рост пропионовокислых бактерий на молочной кислоте, полученной при росте стрептококков на лактозе в молоке. Другие примеры можно найти в различных работах.

Предположим, что в хемостате есть два вида, А и В, и рост вида, А лимитирован субстратом, доставляемым в среду в концентрации Концентрация вида, А должна быть такой же, как была бы в случае однопопуляционной культуры, как была бы в случае однопопуляционной культуры. Если для вида В лимитирующим субстратом служит продукт вида А, присутствующий в среде в концентрации р, то скорость его накопления будет выражаться с помощью следующего уравнения:

(3)

где —удельная скорость образования продукта. Приняв, что и для стационарного состояния, подставим, тогда. Подставляя значения q_p и x_a в уравнение (3), получим для стационарного состояния

(4)

1.5. Ингибирующий продукт одного вида как лимитирующий субстрат другого вида

Предполагается, что вид, А образует ингибитор своего собственного роста, который присутствует в концентрации р, а вид В использует этот ингибитор в качестве лимитирующего субстрата. для конкурентного ингибирования продуктом скорость роста вида, А описывается следующим уравнением:

(5)

а для неконкурентного ингибирования

(6)

где для скорости роста вида В имеем. Тогда в стационарном состоянии

(7)

Стационарное значение э можно получить из уравнений (5) и (6), приняв, что и подставляя для р выражение из уравнения (7); а дается уравнением (4) для продукта, связанного с ростом.

Примером такого типа смешанной культуры может служить смесь видов Pseudomonas, окисляющих метан, и Hyphomicrobium, использующих метанол. При окислении метана псевдомонады накапливают метанол, который является авто ингибитором, а Hyphomicrobium используют метанол, тем самым предотвращая ингибирование псевдомонад.

1.6 Взаимодействие хищник — жертва

Взаимодействие хищников и жертвы можно проиллюстровать на примере простейших, питающихся бактериями. Система моделируется следующим образом. Пусть r—концентрация хищника в хемостатной культуре. Жертва, присутствующая в концентрации h использует лимитирующий субстрат, концентрация которого в культуре и в добавляемой среде составляет соответственно s и s_r. Зависимость удельной скорости роста жертвы от концентрации субстрата в удельной скорости роста хищника от концентрации жертвы описывается гиперболой

(8)

где К_s и К_h — константы насыщения для жертвы и хищника соответственно. Курд и Кокбурн подтвердили справедливость гиперболической формы зависимости для роста простейшего на бактериальной жертве. Экономический коэффициент определялся как Y_r образованной жертвы на 1 г поглощенного субстрата и W_r хищника на 1 г потребленной жертвы. Баланс для жертвы:

Общая

Скорость = Скорость —- скорость —— скорость

Увеличения роста потребления выхода концентрации жертвы или

(9)

Из баланса для хищника Общая скорость увеличения концентрации хищника = Скорость роста — Скорость выхода.

Получаем

(10)

Баланс для субстрата, лимитирующего рост бактерий:

Общая скорость увеличения = Скорость входа — Скорость потребления — Скорость выхода, Или

(11).

Чтобы получить стационарные значения, производные, приравниваем к нулю. Из уравнения (11) на ходим, что в стационарном состоянии к и из уравнения

(12)

где тильда (волнистая черточка над буквой) означает, что данный параметр относится к стационарному состоянию. Таким образом, в стационарном состоянии удельная скорость роста хищника подстраивается к скорости разбавления, а удельная скорость роста жертвы больше скорости разбавления до тех пор, пока существует активный хищник. Из уравнения (9) для стационарной концентрации жертвы получаем

(13)

Если, то, подставляя в уравнение (11) выражения для получаем

(14)

Следовательно, Для стационарного состояния баланс для жертвы:

Жертва в потоке, вытекающем из культуры = Общее количество образовавшихся жертв—Жертвы, потребленные хищником,

или

(15)

Следовательно,

(16)

Если скорость разбавления больше, чем критическая скорость разбавления для хищника, он будет вымываться из культуры. При концентрация хищника г = О и, что стремится к Y_a/r, если ,. Подставляя ,. в уравнение (20.13), получаем

(17)

В табл. 2 приведены предсказанные значения в стационарном состоянии как функции скорости разбавления для культуры, в которой бактерии выступают в роли жертвы, а простейшие — в роли хищника. При скоростях разбавления, превышающих критическую скорость разбавления для простейших, система ведет себя как чистая культура бактериальной жертвы.

Из вышеизложенного следует, что хищник может значительно уменьшать популяцию жертвы, а, следовательно, и степень поглощения субстрата жертвой. Это очень важно в непрерывных процессах очистки. Перт и Базин предполагают, что простейшие, поедая бактерии, поглощающие материал отходов, могут оказывать неблагоприятное воздействие на очистку. Однако простейшие можно исключить из процесса, повысив скорость разбавления до уровня выше критического. Или, если это необходимо, можно выделить процесс потребления бактерий простейшими во вторую стадию хемостата.

Джост и др. изучали культуру, состоявшую из двух типов бактерий Escherichia coli и Azotobacter vinelandii c глюкозой в качестве лимитирующего субстрата для каждого из них и с Tetrahymena pyriformis как хищника обоих видов.

Важной особенностью этой системы оказалось то, что в отсутствие хищника Escherichia coli, как и предполагалось, вытесняла Azotobacter, а в присутствии хищника все три вида существовали вместе.

2. Методы определения количества клеток под микроскопом

2.1 Подсчет живых клеток

Наиболее важные методы, основанные на способности индивидуальных организмов к размножению и образованию колоний, которые можно подсчитать, описаны Мейнеллом и Мейнелл. Для подсчета живых клеток должны использоваться не минимальные, а богатые среды, поскольку изолированные индивидуальные клетки более требовательны к питанию, среде, чем плотная популяция в целом. С помощью метода элективных сред можно пересчитать организмы разных типов, которые присутствуют в смеси.

Метод подсчета, основанный на разбавлении и используемый при бактериологическом анализе воды, состоит в учете непроросших разведений после высева суспензия организмов в ряд пробирок со средой. Преимущество данного метода состоит в том, что он дает возможность определять малые концентрации организмов (.< 1 клетка/мл). Однако поскольку размер пробы мал, то велика ошибка измерения. Вместо метода подсчета с помощью разбавления используется метод фильтрации через мембранные фильтры и выращивание видимых колоний на фильтре.

2.2 Методы окрашивания

Наиболее бесспорный метод определения числа живых и мертвых клеток состоят в сравнении числа колоний и общего числа клеток. В некоторых случаях мертвые и живые клетки могут быть дифференцированы с помощью окрашивания красителями. Живые клетки млекопитающих непроницаемы для трипанового синего, а мертвые клетки воспринимают эту окраску. для культур дрожжевых клеток аналогично используется эозин.

Красители, окрашивающие только живые клетки, называются витальными красителями. Окрашенные клетки млекопитающих в культуре с нейтральным красным используются как количественный тест для определения клеток, переживающих вирусную атаку.

1. Воробьева Л. И. Промышленная микробиология 1989 г.

2. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток, Мир., Москва., 1978 г.