Məlumat

6.3: Bakterial artım dinamikası - Biologiya

6.3: Bakterial artım dinamikası - Biologiya


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Təlim nəticələri

  • Bakterial mədəniyyətin böyümə dinamikasını müzakirə edin
  • Bakteriyaların böyümə əyrisinin fazalarını müəyyənləşdirin

Bakterial artım ayrı-ayrı hüceyrələrin ölçüsündə artım deyil, bakteriya sayının artması deməkdir. Əksər bakteriyalarda böyümə əvvəlcə hüceyrə kütləsinin və ribosomların sayının artması, sonra bakterial xromosomun dublikasiyası, yeni hüceyrə divarının və plazma membranının sintezi, iki xromosomun bölünməsi, septumun əmələ gəlməsi və hüceyrə bölünməsini əhatə edir. Bu aseksual çoxalma prosesi adlanır ikili parçalanma və genetik cəhətdən eyni olan iki qız hüceyrəsi ilə nəticələnir. Bu, prosesi ilə həyata keçirilir ikili parçalanma, burada bir bakteriya hüceyrəsi ikiyə bölünür.

Video 1-ə baxın: Bakteriyaların böyüməsi

Videoya baxın 1: Bakterial hüceyrələrin bölünməsi (00:15). URL: https://youtu.be/gEwzDydciWc

Bakteriyaların böyüməsinin dinamikası olaraq görüntülənən proqnozlaşdırıla bilən bir modelə əməl edir bakteriya böyümə əyrisi. Bu böyümə əyrisi hüceyrə sayının zamana nisbətdə artımının planlaşdırılması ilə yaradılır. Sonra əyri müəyyən etmək üçün istifadə edilə bilər nəsil vaxtı, mikrob populyasiyasının hüceyrə sayının ikiqat artması üçün tələb olunan vaxt. Bir kolba və ya boru kimi qapalı bakteriya mədəniyyəti qabında adətən dörd böyümə mərhələsi var. Mərhələlərdir gecikmə, log/eksponensial, stasionar və ölüm mərhələləri.

Gecikmə mərhələsi: hüceyrələrin təzə mühitə aşılanmasından dərhal sonra populyasiya müvəqqəti olaraq dəyişməz qalır (burada xətt düzdür, hüceyrə sayında dəyişiklik yoxdur). Görünən hüceyrə bölünməsi olmasa da, hüceyrələr həcmdə və ya kütlədə böyüyə bilər, fermentləri, zülalları, RNT-ləri və s. sintez edir və metabolik aktivliyi artırır. Hüceyrələr də bu mühitə və böyümə vəziyyətinə uyğunlaşır və uyğunlaşır, müxtəlif substratların metabolizəsinə başlamaq üçün müxtəlif genlər işə salına bilər. Bəzi təmir prosesləri gedir, hüceyrə binar parçalanmaya hazırlaşaraq zədələnmiş hüceyrə komponentlərini yenidən sintez edir. Gecikmə mərhələsinin uzunluğu müxtəlif amillərdən, o cümlədən inokulumun ölçüsündən asılıdır; köçürmə zamanı fiziki zədədən və ya şokdan sağalmaq üçün lazım olan vaxt; əsas koenzimlərin və ya bölünmə amillərinin sintezi üçün tələb olunan vaxt; və mühitdə mövcud olan substratları metabolizə etmək üçün zəruri olan yeni (induksiya edilə bilən) fermentlərin sintezi üçün tələb olunan vaxt, inokulumun yaşı (böyüməyə başlamaq üçün mədəniyyət mühitinə daxil edilən mikrob), “köhnə” kultura, yəqin ki, çox olacaq. ölü/yaşlı hüceyrələr və bu mühitə uyğunlaşmaq daha uzun çəkə bilər.

The Giriş (eksponensial) Faza. Böyümənin eksponensial mərhələsi balanslaşdırılmış böyümə nümunəsidir ki, burada bütün hüceyrələr müntəzəm olaraq ikili parçalanma ilə bölünür və həndəsi irəliləyişlə böyüyür. Hüceyrələr böyümə mühitinin tərkibindən və inkubasiya şəraitindən asılı olaraq sabit sürətlə bölünür. The eksponensial artım tempi bakterial kultura kimi ifadə edilir nəsil vaxtı, həmçinin ikiqat vaxt bakteriya populyasiyası. Bu mərhələ bütün böyümə əyrisinin sxemində adətən nisbətən qısa olur. Bu fazadakı hüceyrələr metabolik olaraq ən aktivdir və məsələn, məhsulun səmərəli istehsal edilməsi lazım olduğu sənaye məqsədləri üçün üstünlük verilir. Eksponent olaraq böyüyən hüceyrələr adətən ən sağlam vəziyyətdədirlər və buna görə də onların fermentlərinin və ya digər hüceyrə komponentlərinin tədqiqi üçün ən arzuolunandır. Nəsil vaxtı sabit olduğundan, log fazası ərzində artımın loqarifmik qrafiki belədir düz xətt.

Bir toplu mədəniyyətdə eksponensial artım əbədi davam edə bilməz. Əhali artımı üç amildən biri ilə məhdudlaşdırılır: 1. mövcud qida maddələrinin tükənməsi; 2. inhibitor metabolitlərin və ya son məhsulların yığılması; 3. kosmosun tükənməsi, bu halda "bioloji məkanın" çatışmazlığı deyilir. Nəhayət, böyümə sürəti yavaşlayır, mikrob ölümlərinin sayı yeni hüceyrələrin sayını tarazlaşdırır və populyasiya sabitləşir. Bu tarazlıq dövrü adlanır Stasionar mərhələ. İstehsal edən bakteriyalar ikincil metabolitlər, məsələn, antibiotiklər, tez-tez böyümə dövrünün stasionar mərhələsində bunu edirlər (İkinci metabolitlər böyümənin aktiv mərhələsindən sonra istehsal olunan metabolitlər kimi müəyyən edilir).

Məhz stasionar fazada spora yaradan bakteriyalar hərəkətsiz dövrə hazırlaşmaq üçün sporulyasiya prosesində iştirak edə bilən onlarla genin fəaliyyətini induksiya etməli və ya gizlətməlidir. Populyasiya stasionar fazaya çatdıqdan sonra inkubasiya davam edərsə, a ölüm mərhələsi həyat qabiliyyətli hüceyrə populyasiyası azalır. Ölüm fazası zamanı canlı hüceyrələrin sayı həndəsi (eksponensial olaraq) azalır, əsasən log fazası zamanı böyümənin əksi. Bu mərhələ populyasiya əvvəlki fazadakı hüceyrələrin sayının kiçik bir hissəsinə qədər azalana və ya populyasiya tamamilə yox olana qədər davam edir.

Şəkil 1: 4 mərhələni göstərən bakteriya artım əyrisi. Şəkil müəllifi Mixal Komorniçak (Polşa). https://upload.wikimedia.org/wikiped..._growth_en.svg


6.3: Bakterial artım dinamikası - Biologiya

MDPI tərəfindən nəşr olunan bütün məqalələr açıq giriş lisenziyası altında dərhal bütün dünyada mövcuddur. MDPI tərəfindən dərc edilmiş məqalənin, o cümlədən rəqəmlər və cədvəllər də daxil olmaqla, hamısının və ya bir hissəsinin təkrar istifadəsi üçün xüsusi icazə tələb olunmur. Açıq giriş Creative Common CC BY lisenziyası altında dərc olunan məqalələr üçün məqalənin hər hansı bir hissəsi orijinal məqaləyə aydın şəkildə istinad etmək şərti ilə icazəsiz təkrar istifadə edilə bilər.

Feature Papers sahədə yüksək təsir üçün əhəmiyyətli potensiala malik ən qabaqcıl tədqiqatları təmsil edir. Bədii məqalələr elmi redaktorlar tərəfindən fərdi dəvət və ya tövsiyə əsasında təqdim olunur və dərc edilməzdən əvvəl ekspert rəyindən keçir.

Bədii məqalə ya orijinal tədqiqat məqaləsi, tez-tez bir neçə texnika və ya yanaşmanı özündə cəmləşdirən əsaslı yeni tədqiqat işi, ya da elmi sahədə ən maraqlı nailiyyətləri sistematik şəkildə nəzərdən keçirən sahədəki ən son irəliləyişlərə dair qısa və dəqiq yenilikləri olan hərtərəfli icmal sənədi ola bilər. ədəbiyyat. Bu tip kağız tədqiqatın gələcək istiqamətləri və ya mümkün tətbiqlər haqqında dünyagörüşünü təqdim edir.

Redaktorun Seçimi məqalələri dünyanın hər yerindən MDPI jurnallarının elmi redaktorlarının tövsiyələrinə əsaslanır. Redaktorlar jurnalda bu yaxınlarda dərc edilmiş az sayda məqaləni seçirlər ki, onlar müəlliflər üçün xüsusilə maraqlı və ya bu sahədə vacib olacaq. Məqsəd jurnalın müxtəlif tədqiqat sahələrində dərc edilmiş ən maraqlı işlərdən bəzilərinin şəklini təqdim etməkdir.


Bakterial Chemostat Dizaynı

Bakterial kimyostat mikrob biokütləsinin davamlı istehsalı üçün istifadə edilən davamlı qarışdırılmış tank reaktorudur (CSTR).

Chemostat Quraşdırma

Kemostat qurğusu böyümə kamerasına və ya reaktora qoşulmuş steril təzə qida anbarından ibarətdir. Hüceyrə böyüməsi üçün vacib olan qida maddələrini ehtiva edən təzə mühit orta rezervuardan kameraya davamlı olaraq pompalanır. Mühitdə böyüməni məhdudlaşdıran qida maddəsinin xüsusi konsentrasiyası var (Cs), böyümə kamerasında hüceyrələrin maksimum konsentrasiyasına imkan verir. Bu böyüməyi məhdudlaşdıran qidanın konsentrasiyasının dəyişdirilməsi, öz növbəsində, hüceyrələrin sabit konsentrasiyasını dəyişəcəkdir (C)c). Hüceyrənin sabit konsentrasiyasına nəzarət etməyin başqa bir yolu, mühitin böyümə kamerasına axma sürətini manipulyasiya etməkdir. Bakteriyaların yuxarıya doğru hərəkət etməsinin və steril mühit anbarını çirkləndirməsinin qarşısını almaq üçün mühit hava fasiləsi vasitəsilə mədəniyyətə damlayır.

İstifadə edilməmiş qida maddələrindən, metabolik tullantılardan və bakteriyalardan ibarət olan gəminin yaxşıca qarışdırılmış tərkibi, kimyostatda mayenin sabit həcmini saxlamaq üçün gəmidən çıxarılır və səviyyə göstəricisi ilə nəzarət edilir. Bu tullantı axını ya nasos, ya da reaktorun yan tərəfindəki artıq reaksiya mayesinin çıxarılmasına imkan verən port vasitəsilə idarə oluna bilər. İstənilən halda, reaktorun daşmasının qarşısını almaq üçün axın axını artıq mayeni qida axınının yeni mühitlə təmin edə biləcəyindən daha tez çıxara bilməlidir.

Hüceyrələrin böyüməsi üçün optimal şəraiti saxlamaq üçün temperatur və təzyiq də kemostat daxilində nəzarət edilməlidir. Böyümə kamerası üçün gödəkçəli CSTR-dən istifadə temperaturu asan idarə etməyə imkan verir. Bioloji fermentasiya kimi bəzi proseslər olduqca ekzotermikdir, buna görə də temperaturu optimal səviyyədə saxlamaq üçün soyuducu su istifadə olunur. Reaktorun təzyiqinə gəldikdə, o, artıq qazın çıxarılmasına imkan verən çıxış hava axını ilə idarə olunur.

Aerobik mədəniyyətlər üçün təmizlənmiş hava bir sparger tərəfindən gəminin içinə doldurulur. Bu, kifayət qədər oksigenin reaksiya mühitində həll olmasını təmin edir. Anaerob proseslər üçün ümumiyyətlə hava girişinə ehtiyac yoxdur, lakin reaktorda təzyiqin artmasının qarşısını almaq üçün qaz çıxışı olmalıdır.

Reaksiya qarışığının çox asidik (hüceyrə tənəffüsü mühitin turşu olmasına səbəb olur) və ya hüceyrə böyüməsinə mane ola biləcək çox əsaslı olmasının qarşısını almaq üçün sistemə pH balansını gətirmək üçün bir pH nəzarətçisi lazımdır.

Qarışdırıcı qabın içindəkilərin yaxşıca qarışdırılmasını təmin edir. Qarışdırma sürəti çox yüksək olarsa, mədəniyyətdəki hüceyrələrə zərər verə bilər, lakin çox aşağı olarsa, sistemdə gradientlər yarana bilər. İstənilən növ əhəmiyyətli gradientlər (temperatur, pH, konsentrasiya və s.) hüceyrə istehsalına zərər verə bilər və reaktorun sabit iş rejiminə keçməsinə mane ola bilər.

Reaktor dizaynında başqa bir narahatlıq, çirklənmədir. Çirklənmə ümumiyyətlə suya batırılmış səthlərdə və ya maye axını ilə təmasda olan səthlərdə arzuolunmaz materialların çökməsi və yığılması kimi müəyyən edilir. Yatırılan material bioloji təbiətə malik olduqda, ona bioloji çirklənmə deyilir. Bu kimi bir sistemdə çirklənmə və ya bioloji çirklənmə istilik dəyişdiricilərinin səmərəliliyinin azalmasına və ya borularda en kəsiyinin azalmasına səbəb ola bilər. İstilik dəyişdirici səthlərində çirklənmə sistemin optimal işləməməsinə, hədəf temperatur diapazonundan kənarda qalmasına və ya optimal temperaturu saxlamaq üçün artıq enerji sərf etməsinə səbəb olur. Boruların çirklənməsi təzyiq düşməsinin artmasına gətirib çıxarır ki, bu da xətt üzrə fəsadlara səbəb ola bilər. Bu təsirləri minimuma endirmək üçün sənaye kimyəvi reaktorları adətən silindrikdir, həcmi 1300 kubmetrə qədərdir və çox vaxt paslanmayan poladdan hazırlanır. Silindr forması və hamar paslanmayan polad səthi asan təmizləməyə imkan verir.

Dizayn tənlikləri

Davamlı qarışdırılmış tank reaktorları (CSTRs) üçün dizayn tənlikləri kimyostatlara tətbiq edilir. Həm mədəniyyətdəki hüceyrələr, həm də mühit (substrat) üzərində tarazlıqlar aparılmalıdır.

Sabit həcmli CSTR-də mikroorqanizmlərin kütlə balansı:

[Hüceyrələrin yığılma sürəti, q/s] = [Daxil olan hüceyrələrin sürəti, q/s] &ndash [Çıxılan hüceyrələrin sürəti, q/s] + [Canlı hüceyrələrin əmələ gəlmə sürəti, q/s]

Sabit həcmli CSTR-də substratdakı kütlə balansı:

[Substratın yığılma dərəcəsi, q/s] = [Substratın daxil olma sürəti, q/s] &ndash [Substratın çıxma sürəti, q/s] + [Substratın xalis istehlak dərəcəsi, q/s]

Besləmə axınından heç bir hüceyrənin reaktora daxil olmadığını fərz etsək, hüceyrə kütləsi balansı aşağıdakı şəkildə yenidən işlənə bilər:

[(Yığım Hüceyrələrinin Dərəcəsi) =V frac> label<1>]

Eynilə, substratın kütlə balansı aşağıdakı şəkildə yenidən işlənə bilər:

ef<1>- ef <3>tənlikləri bir araya gətirməklə, kemostatdakı hüceyrələr üçün dizayn tənliyini verir:

Eynilə, ef<4>- ef <6>tənlikləri birlikdə kimyostatda substrat üçün dizayn tənliyini verir:

CSTR haqqında edilən fərziyyələrə mükəmməl qarışdırma, reaktorun məzmununun sabit sıxlığı, izotermik şərait və tək, dönməz reaksiya daxildir.

Yeni hüceyrə artım sürəti üçün bir çox qanunlar mövcuddur.

Monod tənliyi bakteriyaların böyümə sürətinə cavab əyrisi üçün ən çox istifadə edilən modeldir.

Xüsusi hüceyrə artım sürəti, &mu kimi ifadə edilə bilər

  • &mumaks = maksimum spesifik böyümə reaksiya sürəti
  • Ks = Monod sabiti
  • Cs = substrat konsentrasiyası

Tessier tənliyi və Mozer tənliyi

Hüceyrə artım sürətini təsvir etmək üçün adətən iki əlavə tənlik istifadə olunur. Onlar Tessier və Mozer tənlikləri. Bu artım qanunları eksperimental məlumatlara daha yaxşı uyğunlaşdıqda, xüsusilə fermentasiyanın əvvəlində və ya sonunda istifadə ediləcəkdir.

burada (&lambda) və (k) ölçülmüş məlumatlarla müəyyən edilən empirik sabitlərdir.

Hüceyrələrin ölüm nisbəti, (r_d) təbii ölümü, (k_d) və zəhərli əlavə məhsuldan olan ölümü nəzərə alır, (k_t), burada (C_t) zəhərli maddələrin konsentrasiyasıdır. -məhsul.

Ölüm mərhələsi Bakteriya hüceyrələrinin böyüməsinin ölüm mərhələsi canlı hüceyrə konsentrasiyasının azalmasının baş verdiyi yerdir. Bu azalma zəhərli əlavə məhsulun, sərt mühitin və ya qida maddələrinin tükənməsinin nəticəsi ola bilər.

Aşağıdakı tənliklərdə istehlak edilən/istehsal edilən substratın və məhsulun miqdarını modelləşdirmək üçün məhsuldarlıq əmsallarından istifadə edilir. Ysc və Ypc müvafiq olaraq substratdan hüceyrəyə və məhsuldan hüceyrəyə məhsuldarlıq əmsallarıdır. Gəlir əmsalları g dəyişən/g hüceyrələrinin vahidlərinə malikdir. ef <14>tənliyi substratın tükənmə sürətini əks etdirir:

ef <15>tənliyi məhsulun əmələ gəlmə sürətini əks etdirir:


Əzələdaxili ampisilin müalicəsindən sonra donuz bağırsağında çoxsaylı Escherichia coli suşlarının böyümə dinamikasının modelləşdirilməsi

Fon: Bu tədqiqatda ampisillinin əzələdaxili yeridilməsi üçün dozaj rejiminin, ampisillinə həssaslıq baxımından Escherichia coli ştammlarının tərkibinin və bağırsaqdan bakteriyaların ifraz olunmasının uşaqlıq donuzlarının bağırsağında Escherichia coli ştammları arasında müqavimət səviyyəsinə necə təsir etdiyi qiymətləndirilmişdir. Müalicə zamanı və sonra bakteriya ştammlarının tərkibinin dinamikası da araşdırılıb. Ştammların ampisilin konsentrasiyasına böyümə reaksiyaları in vitro böyümə əyrilərindən istifadə etməklə müəyyən edilmişdir. Bu nəticələrdən giriş məlumatları kimi istifadə etməklə, ampisillinin müəyyən edilmiş plazma konsentrasiyası profilləri altında donuz bağırsağında E. coli ştammlarının rəqabət qabiliyyətli artımını simulyasiya etmək üçün riyazi modeldən istifadə etməklə artım proqnozları yaradılmışdır.

Nəticələr: In vitro böyümənin nəticələri göstərdi ki, davamlı suşlar onların müqaviməti üçün fitnes xərcləri daşımır və ən həssas ştammlar digər ştamlara nisbətən antibiotiklərin artan konsentrasiyasından daha çox təsirlənir. Modelləşdirmə müəyyən etdi ki, qısa müalicə müddəti müqavimət səviyyəsinin aşağı olması ilə nəticələnir və dozanın tezliyi davamlı suşların böyüməsinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir etmir. Müqavimət səviyyələrinin rəqabət aparan suşların sayına həssas olduğu aşkar edildi və bu təsir daha uzun müalicə müddəti ilə artırıldı. Bakteriyaların bağırsaqdan yüksək ifrazı həssas ştammlara nisbətən davamlı ştammlara üstünlük verirdi, lakin eyni zamanda müalicə başa çatdıqdan sonra müalicədən əvvəlki səviyyəyə daha sürətli qayıtması ilə nəticələndi. Yüksək ifrazat müddəti müalicə müddəti ilə məhdudlaşdıqda (yəni müalicənin ishalın sağalması ilə nəticələndiyi güman edilirdi) rezistent suşların əvvəlki səviyyəyə çatması üçün daha uzun müddət tələb olunur.

Nəticə: E. coli-də ampisilin müqaviməti ilə əlaqəli heç bir fitness dəyəri tapılmadı. Dozalama faktorları ilə yanaşı, epidemioloji amillər (məsələn, rəqabət aparan suşların sayı və bakteriya ifrazı) müqavimətin inkişafına təsir göstərmişdir və optimal müalicə strategiyaları ilə bağlı əlavə olaraq nəzərə alınmalıdır. Tədqiqatda istifadə olunan modelləşdirmə yanaşması ümumi xarakter daşıyır və donuzların bağırsağında müqavimətin inkişafına təsir etmək üçün digər dərmanlarla müalicənin təsirinin proqnozlaşdırılması və digər idarəetmə yolları üçün istifadə edilə bilər.

Açar sözlər: Ampisillin Antimikrobiyal müqavimət Dozalama strategiyaları Farmakodinamik Donuz.


Təşəkkürlər

FACS təcrübəsində dəstəyə görə C. Pan-a təşəkkür etmək istərdik. Biz C. Zhang və H. Xing laboratoriyalarından C. Guan və H. Feng-ə xam NGS məlumatlarının müalicəsində və filogenetik analizdə göstərdikləri köməyə görə təşəkkür edirik. Biz həmçinin dinamik proses haqqında tənqidi müzakirəyə görə J. Zhanga, struktur biologiyanın tənqidi müzakirəsinə görə Q. Huya və əlyazma ilə bağlı şərhlərinə görə J. Liuya təşəkkür etmək istərdik. Bu iş Çin Milli Təbiət Elmləri Fondu (NSFC21676156, CZ), Tsinghua Universitetinin Təşəbbüs Elmi Tədqiqat Proqramı (20161080108, CZ), Çin Milli Təbiət Elmləri Fondu (NSFC21627812, X.-HX) tərəfindən dəstəklənib. Çin Postdoktoral Elm Fondundan (TW-yə) və Tsinghua-Pekin Birgə Həyat Elmləri Mərkəzindən (TW-ə) doktorluqdan sonrakı yeniliklərə dəstək planı.


Lupin rizosferində bitki böyüməsini təşviq etmək qabiliyyətləri və mikromiqyaslı bakterial dinamika fitatdan istifadə qabiliyyəti ilə təhlil edilmişdir

Rizosferdə fosforun (P) səviyyəsi köklərə P-nin udulması səbəbindən aşağıdır. Rizobakteriyalar köklərdən xaric olan karbonda (C) yaşayır və P-ni fitatlar kimi üzvi birləşmələrdən azad edərək bitkilərin qidalanmasına kömək edə bilər. Biz 300-dən çox fitat (Na-inositol heksa-fosfat Na-IHP) təcrid etdik - bakteriya ştammlarından Lupinus albusun (L.) rizoseath və rizoplanından istifadə etdik. Demək olar ki, bütün izolatlar 16S rDNT ardıcıllığının analizinə əsasən Burkholderia kimi təsnif edilmişdir. C və P-nin yeganə mənbəyi kimi Na-IHP ilə becərilmiş rhizosheath təcridləri, rizoplan ştammları ilə müqayisədə eyni hüceyrədənkənar fitaz aktivliyində daha az P qəbulu göstərdi, bu, rizoplan ştammlarından olan bakteriyaların fitatdan C mənbəyi kimi istifadə etdiyini göstərir. Bir çox izolatlar həmçinin həll olunmayan fitatdan (Al-IHP və/və ya Fe-IHP) istifadə edirdilər. Lotus japonicus şitilləri ilə birgə mədəniyyətdə bəzi izolatlar bitki böyüməsini əhəmiyyətli dərəcədə artırdı.


Bakteriyaların ekologiyası

Prokaryotlar Yerin səthində hər yerdə mövcuddur. Onlar qütb buzlarından qaynar qaynar bulaqlara, dağların zirvələrindən okean dibinə, bitki və heyvan orqanizmlərindən meşə torpaqlarına qədər hər cür əlçatan mühitdə rast gəlinir. Bəzi bakteriyalar torpaqda və ya suda donmağa yaxın temperaturda (0 °C [32 °F]), digərləri isə qaynamağa yaxın temperaturda (100 °C [212 °F]) inkişaf edə bilər. Hər bir bakteriya okean səthləri, palçıq çöküntüləri, torpaq və ya başqa bir orqanizmin səthi olsun, müəyyən bir ekoloji nişdə yaşamağa uyğunlaşdırılmışdır. Havadakı bakteriyaların səviyyəsi aşağıdır, lakin əhəmiyyətlidir, xüsusən də toz dayandırıldıqda. Çirklənməmiş təbii su hövzələrində münbit torpaqda bakteriyaların sayı millilitrdə minlərlə, qramda milyonlarla və nəcisdə bakteriyaların sayı milyardlarla qramı keçə bilər.

Prokaryotlar yaşayış yerlərinin mühüm üzvləridir. Ölçüsü kiçik olsalar da, saylarının çoxluğu onların xarici mühitdə elementlərin çevrilməsində maddələr mübadiləsinin çox böyük rol oynadığını bildirir - bəzən faydalı, bəzən də zərərlidir. Yəqin ki, hər bir təbii maddə və bir çox sintetik maddələr bəzi bakteriya növləri tərəfindən parçalana bilər (metabolizə olunur). İnəyin ən böyük mədəsi, rumen, bakteriyaların çəmən və yemlərdəki sellülozu həzm etdiyi fermentasiya kamerasıdır, onları inəyin istifadə etdiyi əsas qida maddələri və inək istehsalı üçün əsas olan yağ turşularına və amin turşularına çevirir. süd. Kanalizasiya və ya kompost yığınlarındakı üzvi tullantılar bakteriyalar tərəfindən ya bitki mübadiləsi üçün uyğun qida maddələrinə, ya da qaz halında olan metana (CH2) çevrilir.4) və karbon qazı. Bütün üzvi materialların, o cümlədən bitki və heyvanların qalıqları bakteriya və digər mikroorqanizmlərin fəaliyyəti ilə nəticədə torpağa və qazlara çevrilir və bununla da daha da böyümək üçün istifadəyə verilir.

Bir çox bakteriya axınlarda və digər su mənbələrində yaşayır və onların su nümunəsində aşağı populyasiya sıxlığında olması suyun istehlak üçün yararsız olduğunu göstərmir. Ancaq su kimi bakteriya ehtiva edir E. coli, insan və heyvanların bağırsaq traktının normal sakinləri olan çirkab suları və ya nəcis materialının son vaxtlar həmin su mənbəyini çirkləndirdiyini göstərir. Belə koliform bakteriyaların özləri patogenlər (xəstəlik yaradan orqanizmlər) ola bilər və onların mövcudluğu digər, daha az asanlıqla aşkar edilən bakterial və viral patogenlərin də mövcud ola biləcəyini göstərir. Su təmizləyici qurğularda istifadə olunan prosedurlar – çökdürmə, filtrasiya və xlorlama – insan istehlakı üçün nəzərdə tutulmuş suda mövcud ola biləcək bu və digər mikroorqanizmləri və yoluxucu agentləri təmizləmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Həmçinin, çirkab suların təmizlənməsi patogen bakteriyaların və virusların çirkab sulardan su təchizatına buraxılmasının qarşısını almaq üçün lazımdır. Çirkab su təmizləyici qurğular həmçinin tullantı sularında üzvi materialların (zülallar, yağlar və karbohidratlar) çürüməsinə səbəb olur. Suda üzvi materialın mikroorqanizmlər tərəfindən parçalanması oksigen istehlak edir (biokimyəvi oksigen tələbatı), oksigen səviyyəsinin azalmasına səbəb olur ki, bu da tullantı sularını qəbul edən axar və göllərdə su həyatı üçün çox zərər verə bilər. Çirkab suların təmizlənməsinin məqsədlərindən biri su sisteminə axıdılmadan əvvəl mümkün qədər çox üzvi materialı oksidləşdirmək və bununla da çirkab suların biokimyəvi oksigen tələbatını azaltmaqdır. Kanalizasiya həzm çənləri və aerasiya cihazları bu məqsədlə xüsusi olaraq bakteriyaların metabolik qabiliyyətindən istifadə edir. (Tullantı sularının təmizlənməsi haqqında ətraflı məlumat üçün, görmək ekoloji işlər: Suyun çirklənməsinə nəzarət.)

Torpaq bakteriyaları torpağı səciyyələndirən müxtəlif maddələr, humus və mineralları dəyişdirərək biokimyəvi dəyişiklikləri həyata keçirməkdə son dərəcə aktivdir. Karbon, azot və kükürd kimi həyatın mərkəzi elementləri bakteriyalar tərəfindən qeyri-üzvi qaz birləşmələrindən bitki və heyvanlar tərəfindən istifadə edilə bilən formalara çevrilir. Bakteriyalar həmçinin bitki və heyvan maddələr mübadiləsinin son məhsullarını bakteriya və digər mikroorqanizmlərin istifadə edə biləcəyi formalara çevirir. Azot dövrü müxtəlif kimyəvi dəyişikliklərin təsirində bakteriyaların rolunu göstərə bilər. Azot təbiətdə nitrat, nitrit, dinitrogen qazı, bir neçə azot oksidi, ammonyak və üzvi aminlər (bir və ya bir neçə əvəz edilmiş karbohidrogeni ehtiva edən ammonyak birləşmələri) kimi bir neçə oksidləşmə vəziyyətində mövcuddur. Azot fiksasiyası atmosferdəki dinitrogen qazının canlı orqanizmlər tərəfindən istifadə edilə bilən formaya çevrilməsidir. Bəzi azot fiksasiya edən bakteriyalar, məsələn Azotobakter, Clostridium pasteurianum, və Klebsiella pneumoniae, sərbəst yaşayan növlər olduğu halda Rhizobium paxlalı bitkilərlə intim əlaqədə yaşayır. Rhizobium torpaqdakı orqanizmlər özlərinə məxsus bitki sahibinin kök tüklərini tanıyır və zəbt edir, bitki toxumalarına daxil olur və kök nodülü əmələ gətirir. Bu proses bakteriyaların bir çox sərbəst həyat xüsusiyyətlərini itirməsinə səbəb olur. Onlar bitki tərəfindən təmin edilən karbondan asılı olurlar və karbon əvəzində azot qazını bitkinin protein sintezi və böyüməsi üçün istifadə etdiyi ammonyaka çevirirlər. Bundan əlavə, bir çox bakteriya hüceyrə materiallarını sintez etmək üçün nitratı aminlərə və ya nitrat elektron qəbuledici kimi istifadə edildikdə ammonyaklara çevirə bilər. Denitrifikasiya edən bakteriyalar nitratı dinitrogen qazına çevirir. Ammonyak və ya üzvi aminlərin nitrata çevrilməsi aerob orqanizmlərin birgə fəaliyyəti ilə həyata keçirilir. NitrosomonalarNitrobakter, elektron donor kimi ammonyakdan istifadə edən.

Karbon dövrəsində karbon qazı bitkilər və avtotrof prokaryotlar tərəfindən hüceyrə materiallarına çevrilir, üzvi karbon isə heterotrof həyat formaları tərəfindən atmosferə qaytarılır. Mikrobların parçalanmasının əsas parçalanma məhsulu tənəffüs edən aerob orqanizmlər tərəfindən əmələ gələn karbon dioksiddir.

Karbon mübadiləsinin digər qaz halında son məhsulu olan metan qlobal karbon dövriyyəsinin nisbətən kiçik komponentidir, lakin yerli vəziyyətlərdə və insanların istifadəsi üçün bərpa olunan enerji mənbəyi kimi əhəmiyyət kəsb edir. Metan istehsalı yüksək ixtisaslaşmış və məcburi anaerob metanogen prokaryotlar tərəfindən həyata keçirilir, bunların hamısı arxedir. Metanogenlər son elektron qəbuledicisi kimi karbon qazından istifadə edir və hidrogen qazından elektron alırlar (H)2). Metanol, qarışqa turşusu, sirkə turşusu və metilaminlər də daxil olmaqla bir neçə başqa maddə bu orqanizmlər tərəfindən metana çevrilə bilər. Metanogenlər tərəfindən istifadə edilə bilən maddələrin son dərəcə dar diapazonuna baxmayaraq, sellüloza, nişasta, zülallar, amin turşuları, yağlar, spirtlər və əksər digər substratlar daxil olmaqla bir çox üzvi materialın anaerob parçalanması zamanı metan istehsalı çox yaygındır. Bu materiallardan metan əmələ gəlməsi tələb edir ki, digər anaerob bakteriyalar bu maddələri ya asetata, ya da daha sonra metanogenlər tərəfindən istifadə edilən karbon dioksid və hidrogen qazına qədər parçalasınlar. Metanogenlər, metan istehsalı üçün metabolik fəaliyyətləri zamanı əmələ gələn hidrogen qazını çıxararaq, qarışıqdakı digər anaerob bakteriyaların böyüməsini dəstəkləyir. Hidrogen qazının istehlakı digər bakteriyaların metabolizmasını stimullaşdırır.

Metanogenlərin belə məhdud metabolik qabiliyyətinə və oksigenə kifayət qədər həssas olmasına baxmayaraq, onlar Yer kürəsində geniş yayılmışdır. Böyük miqdarda metan bataqlıqlar və bataqlıqlar kimi anaerob mühitlərdə istehsal olunur, lakin əhəmiyyətli miqdarda torpaqda və gevişən heyvanlar tərəfindən istehsal olunur. Atmosferdəki metanın ən azı 80 faizi metanogenlərin təsiri ilə əmələ gəlib, qalan hissəsi isə kömür yataqlarından və ya təbii qaz quyularından atılır.


FƏALİYYƏTDƏ TƏKAMÜL

Yunlu mamont niyə yox oldu?

Şəkil 4: Üç təsvirə aşağıdakılar daxildir: (a) Amerika Təbiət Tarixi Muzeyindən 1916-cı ildə çəkilmiş mamont sürüsü, (b) dünyada yeganə doldurulmuş mamont Rusiyanın Sankt-Peterburq şəhərində yerləşən Zoologiya Muzeyindədir və (c) 2007-ci ildə Sibirdə kəşf edilən Lyuba adlı bir aylıq bir aylıq mamont körpəsi. (kredit a: Charles R. Knight tərəfindən işin dəyişdirilməsi kredit b: "Tanapon" tərəfindən işin dəyişdirilməsi/Flickr krediti c: Mett tərəfindən işin dəyişdirilməsi Howry)

Yunlu mamontlar təxminən 10.000 il əvvəl nəsli kəsilməyə başladı, paleontoloqlar onları ovlaya bilən insanların Şimali Amerika və Avrasiyanın şimalını koloniyalaşdırmağa başladığına inandıqdan az sonra (Şəkil 4). Şərqi Sibir dənizindəki Vrangel adasında bir mamont populyasiyası sağ qaldı və eramızdan əvvəl 1700-cü ilə qədər insan təmasdan təcrid edildi. Bu heyvanlar haqqında çox şey Sibir və digər şimal bölgələrində donmuş cəsədlərdən bilirik.

İqlim dəyişikliyi və insanların ovlanmasının onların nəsli kəsilməsinə səbəb olduğu düşünülür. 2008-ci ildə edilən bir araşdırma, iqlim dəyişikliyinin 42.000 il əvvəl 3.000.000 kvadrat mildən 6.000 il əvvəl 310.000 kvadrat milə qədər mamontların diapazonunu azaltdığını təxmin etdi. 2 Öldürmə yerlərinin arxeoloji sübutları vasitəsilə insanların bu heyvanları ovladığı da yaxşı sənədləşdirilmişdir. 2012-ci ildə aparılan bir araşdırma bu möhtəşəm canlıların nəslinin kəsilməsinə tək bir faktorun təkbaşına cavabdeh olmadığı qənaətinə gəldi. 3 İqlim dəyişikliyi və yaşayış yerlərinin azalması ilə yanaşı, elm adamları mamontların nəsli kəsilməsində başqa bir mühüm amilin 20.000 il əvvəl son buz dövründə insan ovçularının Berinq boğazından Şimali Amerikaya köçməsi olduğunu nümayiş etdirdilər.

Sabit populyasiyaların saxlanması nəticəsini müəyyən edən bir çox qarşılıqlı təsir göstərən amillərlə çox mürəkkəb idi və çox mürəkkəbdir. Unutmamaq lazımdır ki, insanlar da təbiətin bir hissəsidir. Bir dəfə biz yalnız primitiv ov texnologiyasından istifadə edərək növün azalmasına töhfə vermişdik.


Mikrob artımının və dinamikasının modelləşdirilməsi

Modelləşdirmə tətbiqi mikrobiologiya kontekstində və təhlükəsiz qida istehsalı, tullantı sularının təmizlənməsi, bioremediasiya və ya mikrob vasitəçiliyi ilə mədənçilik kimi proseslərlə bağlı olan mikrob artımı haqqında anlayışımızı genişləndirmək üçün mühüm alətə çevrilmişdir. İlkin, ikincili və üçüncü dərəcəli riyazi modellər, fenomenoloji modellər, mexaniki və ya kinetik modellər, reaktiv nəqliyyat modelləri, Bayes şəbəkəsi modelləri, süni neyron şəbəkələri, həmçinin agent, fərdi və hissəcik əsaslı modellər kimi müxtəlif modelləşdirmə üsulları yaradılmışdır. bir çox tətbiq olunan sahələrdə model mikrob artımı və fəaliyyəti üçün tətbiq edilir. Bu mini icmalda qida təhlükəsizliyi və çirkab suların təmizlənməsi sistemlərindən nümunələr və tətbiqlərdən istifadə edərək bu modellərin əsas anlayışlarını ümumiləşdiririk. Biz açıq şəkildə məkan münasibətlərini ehtiva edən modellərə diqqət yetirərək digər tətbiq olunan sahələrdə son inkişafları nəzərdən keçiririk. Bu nümunələrdən istifadə edərək, biz tətbiq sahələri üzrə konseptual oxşarlıqları qeyd edirik və hibrid modellərdə müxtəlif modelləşdirmə üsullarının birgə istifadəsini, eləcə də onların fənlərarası mübadiləsini təşviq edirik. Məsələn, naxış yönümlü modelləşdirmə öz mənşəyini ekologiyadan götürür, lakin eksperimental məlumatlar az olduqda mikrob artım modellərini parametrləşdirmək üçün istifadə edilə bilər. Modellər virtual ekoloq yanaşmasına bənzər eksperimental dizaynı optimallaşdırmaq üçün virtual laboratoriyalar kimi də istifadə edilə bilər. Gələcək mikrob böyüməsi modelləri, çox güman ki, mikrob böyüməsi modelçiləri üçün mövcud olan zəngin alətlər qutusundan faydalanmaq üçün daha mürəkkəb olacaq.

Bu, abunə məzmununun, qurumunuz vasitəsilə girişin önizləməsidir.


6.3: Bakterial artım dinamikası - Biologiya

Bakterial artım əyrisi

Laboratoriyada, əlverişli şəraitdə, artan bakteriya populyasiyası müntəzəm olaraq iki dəfə artır. Artım həndəsi irəliləyişlə olur: 1, 2, 4, 8 və s. və ya 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 . 2 n (burada n = nəsillərin sayı). Buna deyilir eksponensial artım. Əslində, eksponensial artım bakteriyaların həyat dövrünün yalnız bir hissəsidir və Təbiətdəki bakteriyaların normal böyümə modelini təmsil etmir.

Təzə mühit müəyyən sayda hüceyrə ilə aşılandıqda və populyasiya artımı müəyyən bir müddət ərzində izlənildikdə, məlumatların planlaşdırılması bir nəticə verəcəkdir. tipik bakteriya böyümə əyrisi (aşağıda Şəkil 3).


Şəkil 3. Tipik bakteriya artım əyrisi. Bakteriyalar sınaq borusu kimi qapalı sistemdə (həmçinin toplu mədəniyyət adlanır) yetişdirildikdə, hüceyrələrin populyasiyası demək olar ki, həmişə bu artım dinamikasını nümayiş etdirir: hüceyrələr ilkin olaraq yeni mühitə uyğunlaşırlar (lag fazası) onlar müntəzəm olaraq bölünməyə başlayana qədər. ikili parçalanma prosesi (eksponensial faza). Onların böyüməsi məhdudlaşdıqda, hüceyrələr bölünməyi dayandırır (stasionar faza), nəhayət həyat qabiliyyətini itirməyə (ölüm mərhələsi) qədər. x və y oxlarının parametrlərinə diqqət yetirin. Böyümə canlı hüceyrələrin sayının zamana nisbətdə dəyişməsi kimi ifadə edilir. Nəsil vaxtları böyümənin eksponensial mərhələsində hesablanır. Yarama müddəti qısa olan bakteriyalar üçün vaxt ölçüləri saatlarla ölçülür.

Böyümə dövrünün dörd xarakterik mərhələsi tanınır.

1. Gecikmə mərhələsi. Hüceyrələrin təzə mühitə aşılanmasından dərhal sonra populyasiya müvəqqəti olaraq dəyişməz qalır. Görünən hüceyrə bölünməsi olmasa da, hüceyrələr həcmdə və ya kütlədə böyüyə, fermentlər, zülallar, RNT və s. sintez edə və metabolik aktivlik artıra bilər.

Gecikmə fazasının uzunluğu bir çox amillərdən, o cümlədən əsas koenzimlərin və ya bölünmə amillərinin sintezi üçün tələb olunan transfer müddətində fiziki zədədən və ya şokdan bərpa etmək üçün lazım olan inokulum vaxtının ölçüsündən və yeni fermentlərin sintezi üçün tələb olunan vaxtdan asılıdır. mühitdə mövcud olan substratları metabolizə etmək üçün zəruri olan (induksiya olunan) fermentlər.

2. Eksponensial (log) Faza. Böyümənin eksponensial fazası balanslaşdırılmış böyümə nümunəsidir ki, burada bütün hüceyrələr müntəzəm olaraq ikili parçalanma ilə bölünür və həndəsi irəliləyişlə böyüyür. Hüceyrələr böyümə mühitinin tərkibindən və inkubasiya şəraitindən asılı olaraq sabit sürətlə bölünür. Bakterial kulturanın eksponensial artım sürəti kimi ifadə edilir nəsil vaxtı, həmçinin ikiqat vaxt bakteriya populyasiyası. Nəsil vaxtı (G) nəsil başına vaxt (t) kimi müəyyən edilir (n = nəsillərin sayı). Deməli, G=t/n generasiya vaxtının hesablamalarının (aşağıda) alındığı tənlikdir.

3. Stasionar faza. Eksponensial artım a-da əbədi davam edə bilməz toplu mədəniyyət (məsələn, sınaq borusu və ya kolba kimi qapalı sistem). Əhalinin artımı üç amildən biri ilə məhdudlaşdırılır: 1. mövcud qida maddələrinin tükənməsi 2. inhibitor metabolitlərin və ya son məhsulların yığılması 3. məkanın tükənməsi, bu halda "bioloji məkanın" çatışmazlığı adlanır.

Stasionar fazada, canlı hüceyrələr hesablanırsa, bəzi hüceyrələrin öldüyünü və bərabər sayda hüceyrənin bölündüyünü və ya hüceyrələrin populyasiyasının sadəcə olaraq böyüməsini və bölünməsini dayandırdığını müəyyən etmək mümkün deyil. Stasionar faza, gecikmə mərhələsi kimi, mütləq sükunət dövrü deyil. İstehsal edən bakteriyalar ikincil metabolitlərantibiotiklər kimi, böyümə dövrünün stasionar mərhələsində bunu edirlər (İkinci metabolitlər böyümənin aktiv mərhələsindən sonra istehsal olunan metabolitlər kimi müəyyən edilir). Məhz stasionar fazada spora əmələ gətirən bakteriyalar sporulyasiya prosesində iştirak edə bilən onlarla genin fəaliyyətini induksiya etməli və ya gizlətməli olurlar.

4. Ölüm mərhələsi. Populyasiya stasionar fazaya çatdıqdan sonra inkubasiya davam edərsə, canlı hüceyrə populyasiyasının azaldığı ölüm mərhələsi gəlir. (Qeyd edin, əgər turbidimetrik ölçmələr və ya mikroskopik saymalarla hesablama aparılarsa, ölüm mərhələsi müşahidə edilə bilməz.). Ölüm fazası zamanı canlı hüceyrələrin sayı həndəsi (eksponensial olaraq) azalır, əsasən log fazası zamanı böyümənin əksi.

Artım sürəti və nəsil vaxtı

Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, standart qidalanma şəraitində (mədəniyyət mühiti, temperatur, pH və s.) eksponensial böyümə fazası zamanı bakteriya artım templəri bakteriyanın yaranma vaxtını müəyyən edir. Bakteriyaların yaranma müddəti təxminən 12 dəqiqədən 24 saata qədər və ya daha çox dəyişir. üçün nəsil vaxtı E. coli laboratoriyada 15-20 dəqiqə, lakin bağırsaq traktında koliformun yaranma müddəti 12-24 saat olaraq təxmin edilir. For most known bacteria that can be cultured, generation times range from about 15 minutes to 1 hour. Symbionts such as Rhizobium tend to have longer generation times. Many lithotrophs, such as the nitrifying bacteria, also have long generation times. Some bacteria that are pathogens, such as Mycobacterium tuberculosisSolğun treponema, have especially long generation times, and this is thought to be an advantage in their virulence. Generation times for a few bacteria are are shown in Table 2.

Table 2. Generation times for some common bacteria under optimal conditions of growth.

Bakteriya Orta Generation Time (minutes)
Escherichia coli Glucose-salts 17
Bacillus megaterium Sucrose-salts 25
Streptococcus lactis Süd 26
Streptococcus lactis Lactose broth 48
Staphylococcus aureus Heart infusion broth 27-30
Lactobacillus acidophilus Süd 66-87
Rhizobium japonicum Mannitol-salts-yeast extract 344-461
Mycobacterium tuberculosis Sintetik 792-932
Solğun treponema Rabbit testes 1980

Calculation of Generation Time

When growing exponentially by binary fission, the increase in a bacterial population is by geometric progression. If we start with one cell, when it divides, there are 2 cells in the first generation, 4 cells in the second generation, 8 cells in the third generation, and so on. The generation time is the time interval required for the cells (or population) to divide.

G (generation time) = (time, in minutes or hours)/n(number of generations)

t = time interval in hours or minutes

B = number of bacteria at the beginning of a time interval

b = number of bacteria at the end of the time interval

n = number of generations (number of times the cell population doubles during the time interval)

b = B x 2 n (This equation is an expression of growth by binary fission)


Example: What is the generation time of a bacterial population that increases from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?


Videoya baxın: cihazlar və bitki izahda (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Kazizshura

    Təsdiq edirəm. Bu və yanımda idi.

  2. Humam

    Belə maraqlı mətnlər yazmağı necə bacarırsınız?

  3. Thaumas

    Səhv etdiyinizə inanıram. Mən mövqeyimizi müdafiə edə bilərəm.



Mesaj yazmaq