رشد میکروبی

سلول میکروبی از عناصر متعددی مانند کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر، پتاسیم، کلسیم، منیزیم و آهن تشکیل شده است. این عناصر به عنوان عناصر ماکرو یا درشت مغذی شناخته می شوند. زیرا این عناصر به مقدار زیادی توسط میکروب ها مورد نیاز هستند. در این میان، C، H، O، N، S و P عناصر اصلی مورد نیاز برای کربوهیدرات ها، لیپیدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک هستند. جدای از اینها، سایر درشت مغذی ها دارای چندین عملکرد بیولوژیکی هستند. به عنوان مثال یون های پتاسیم (K+) در فعالیت چندین آنزیم دخالت دارد. کلسیم (Ca2+) عنصر مهم آندوسپورهای باکتریایی است. منیزیم (Mg2+) به عنوان کوفاکتور آنزیم های مختلف نقش دارند.

از سوی دیگر، چندین عنصر دیگر نیز در سطح کوچکی مورد نیاز میکروب ها هستند که به عنوان عناصر ریز یا ریز مغذی ها یا عناصر کمیاب شناخته می شوند. این مواد مغذی شامل منگنز، روی، کبالت، مولیبدن، نیکل و مس هستند. اینها عناصر ضروری برای رشد میکروب ها نیستند، اما به طرق مختلف در عملکردهای بیولوژیکی نقش دارند. به عنوان مثال، روی (Zn2+) در محل فعال چندین آنزیم وجود دارد، منگنز (Mn2+) که در کاتالیز انتقال گروه فسفات نقش دارد، Mo (Mo2+) برای تثبیت نیتروژن ضروری است.

نیاز به کربن، هیدروژن، اکسیژن و الکترون

هر موجودی برای رشد و نمو خود به کربن، هیدروژن، اکسیژن و الکترون نیاز دارد.
مولکول های آلی برای میکروارگانیسم ها ضروری هستند و یکی از اجزای اصلی این مولکول های آلی کربن است. هیدروژن و اکسیژن نیز در مولکول های آلی یافت می شوند.
الکترون ها دو کارکرد اصلی دارند که عبارتند از حرکت الکترون ها از طریق زنجیره های انتقال الکترون و در طی سایر واکنش های اکسیداسیون-کاهشی می توانند انرژی را برای استفاده در کار سلولی فراهم کنند و الکترون ها نیز برای کاهش مولکول ها در طول بیوسنتز مورد نیاز هستند.
نیاز C، H و O را می توان با هم برآورده کرد، زیرا بیشتر منابع کربن اغلب به هیدروژن و اکسیژن متصل می شوند. به عنوان مثال، بسیاری از هتروتروف ها – ارگانیسم هایی که از مولکول های آلی کاهش یافته و از پیش ساخته شده به عنوان منبع کربن خود استفاده می کنند – همچنین می توانند هیدروژن، اکسیژن و الکترون ها را از همان مولکول ها بدست آورند. از آنجایی که الکترون های ارائه شده توسط این منابع کربن آلی می توانند در انتقال الکترون و همچنین در سایر واکنش های کاهش اکسیداسیون استفاده شوند، بسیاری از هتروتروف ها نیز از منبع کربن خود به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند.

نیاز به نیتروژن، فسفر و گوگرد

نیتروژن یک عنصر ضروری است که نقش مهمی در سنتز اسیدهای آمینه، پورین ها، پیریمیدین ها، برخی کربوهیدرات ها و لیپیدها دارد. بسیاری از میکروارگانیسم ها می توانند از نیتروژن در اسیدهای آمینه استفاده کنند. برخی دیگر می توانند آمونیاک را مستقیماً از طریق اثر آنزیم هایی مانند گلوتامات دهیدروژناز یا گلوتامین سنتتاز و گلوتامات سنتاز ترکیب کنند.
فسفر در اسیدهای نوکلئیک، فسفولیپیدها، نوکلئوتیدها مانند ATP، چندین کوفاکتور، برخی پروتئین ها و سایر اجزای سلولی وجود دارد. تقریباً همه میکروارگانیسم ها از فسفات معدنی به عنوان منبع فسفر خود استفاده می کنند و مستقیماً آن را ترکیب می کنند. سطوح پایین فسفات در واقع رشد میکروبی را در بسیاری از محیط های آبی محدود می کند. برخی از میکروب ها، مانند اشریشیا کلی، می توانند از فسفات آلی و غیر آلی استفاده کنند. برخی از ارگانوفسفره ها مانند هگزوز 6-فسفات ها می توانند مستقیماً توسط سلول جذب شوند. سایر ارگانوفسفره ها در پری پلاسم توسط آنزیم آلکالین فسفاتاز هیدرولیز می شوند تا فسفات معدنی تولید کنند که سپس از غشای پلاسما منتقل می شود.
گوگرد برای سنتز موادی مانند اسیدهای آمینه سیستئین و متیونین، برخی کربوهیدرات ها، بیوتین و تیامین مورد نیاز است. اکثر میکروارگانیسم ها از سولفات به عنوان منبع گوگرد استفاده می کنند و با احیای جذبی سولفات آن را کاهش می دهند. تعداد کمی از میکروارگانیسم ها به شکل کاهش یافته گوگرد مانند سیستئین نیاز دارند.

انواع تغذیه‌ای میکروارگانیسم ها

عوامل رشد

بسیاری از موجودات قادر به تولید آنزیم های مورد نیاز برای مسیرهای بیوشیمیایی با حضور مواد مغذی هستند. با این حال، ارگانیسم های متعددی وجود دارند که فاقد آنزیم های خاص مورد نیاز میکروب ها هستند. بنابراین، آنها باید این ترکیبات یا پیش سازهای آنها را از محیط به دست آورند.

ترکیبات آلی که اجزای ضروری سلول یا پیش ساز این اجزا هستند اما توسط ارگانیسم سنتز نمی شوند، فاکتورهای رشد نامیده می شوند. سه نوع اصلی از فاکتورهای رشد مانند اسیدهای آمینه، پورین ها و پیریمیدین ها و ویتامین ها وجود دارد. برخی از میکروارگانیسم ها به ویتامین های زیادی نیاز دارند. به عنوان مثال، انتروکوکوس فکالیس به هشت ویتامین مختلف برای رشد نیاز دارد. سایر عوامل رشد نیز دیده می شود. هِم (از هموگلوبین یا سیتوکروم ها) برای هموفیلوس آنفولانزا مورد نیاز است و برخی از مایکوپلاسماها به کلسترول نیاز دارند.

درک نیازهای فاکتور رشد میکروب ها کاربردهای عملی مهمی دارد. هر دو میکروب با نیازهای مشخص و مشخص و آنهایی که مقادیر زیادی از یک ماده را تولید می کنند (مثلاً ویتامین ها) مفید هستند. میکروب‌هایی که نیاز به فاکتور رشد خاصی دارند، می‌توانند در سنجش زیستی برای فاکتور مورد نیازشان استفاده شوند.

منحنی رشد

شکافت دوتایی روشی است که در آن تقسیم سلولی میکروبی اتفاق می افتد. جمعیت رشد با مطالعه منحنی رشد درک می شود. هنگامی که میکروارگانیسم ها در محیط مایع کشت می شوند، معمولاً در کشت بسته یا سیستم بسته رشد می کنند. از آنجایی که هیچ محیط تازه ای در طول انکوباسیون ارائه نمی شود، غلظت مواد مغذی کاهش می یابد و غلظت ضایعات افزایش می یابد. رشد میکروارگانیسم‌هایی که با شکافت دوتایی تولید مثل می‌کنند را می‌توان به عنوان لگاریتم تعداد سلول‌های زنده در مقابل زمان انکوباسیون ترسیم کرد. منحنی حاصل دارای چهار فاز مجزا است

فاز تاخیر

ابتدا میکروارگانیسم‌ها در محیط تازه وارد می‌شوند، در آن محیط، ارگانیسم‌ها بلافاصله تکثیر نمی‌شوند. از این رو، تقسیم سلولی در همان لحظه اول اتفاق نمی افتد. دلایل مختلفی می تواند پشت این باشد، مانند سلول های قدیمی که فاقد مولکول های ATP کافی هستند، ریبوزوم ها، عوامل کمکی ضروری برای شروع تقسیم سلولی، ویژگی محیط می تواند متفاوت از مورد قبلی باشد، میکروب ها ممکن است آسیب دیده و مورد نیاز باشند. زمان بهبودی و غیره

طول فاز تاخیر به طور قابل توجهی با شرایط میکروارگانیسم ها و ماهیت محیط متفاوت است. اگر تلقیح از یک کشت قدیمی یا در یخچال نگهداری شده باشد، این مرحله ممکن است بسیار طولانی باشد. تلقیح یک کشت به یک محیط شیمیایی متفاوت نیز منجر به یک فاز تاخیر طولانی‌تر می‌شود. از سوی دیگر، هنگامی که یک کشت فاز نمایی جوان و به شدت در حال رشد به محیط تازه ای با همان ترکیب منتقل می شود، فاز تاخیر کوتاه یا وجود ندارد.

فاز نمایی یا لگاریتمی

در این حالت، میکروارگانیسم‌ها با بالاترین سرعت ممکن شروع به تقسیم سریع می‌کنند. میزان تقسیم به ویژگی های محیط، سازمان ژنتیکی ارگانیسم و ​​سایر عوامل محیطی بستگی دارد. سرعت رشد آنها در مرحله نمایی ثابت است. یعنی میکروارگانیسم ها در فواصل منظم در حال تقسیم و دو برابر شدن هستند. رشد یکنواخت در سراسر فاز نمایی مشاهده می شود که به محقق کمک می کند تا هرگونه مطالعه فعالیت فیزیکی یا شیمیایی را در این مرحله از رشد میکروب ها انجام دهد.

رشد تصاعدی رشد متوازن است. یعنی تمام اجزای سلولی با نرخ های ثابت نسبت به یکدیگر ساخته می شوند. اگر سطح مواد مغذی یا سایر شرایط محیطی تغییر کند، رشد نامتعادل ایجاد می شود. این مرحله همچنین برای تولید متابولیت های اولیه شناخته شده است، که عناصری هستند که توسط ارگانیسم ها تولید می شوند که اساساً برای رشد آنها مورد نیاز هستند. متابولیت های اولیه برای انجام عملکردهای فیزیولوژیکی مهم هستند. نمونه هایی از متابولیت های اولیه اسیدهای آمینه، اسیدهای نوکلئیک، ویتامین ها و غیره هستند.

فاز سکون

پس از فاز لگ، رشد باکتری به دلیل فرسودگی مواد مغذی و تجمع محصولات سمی تقریباً به طور کامل متوقف می شود. تعداد سلول‌های تازه تشکیل شده با تعداد سلول‌هایی که می‌میرند کافی است. تعداد سلول های زنده ثابت می ماند زیرا تقریباً بین سلول های در حال مرگ و سلول های تازه تشکیل شده تعادل وجود دارد.

جمعیت میکروبی به دلایل مختلفی وارد فاز ساکن می شوند. یکی از عوامل آشکار محدودیت مواد مغذی است. اگر یک ماده غذایی ضروری به شدت کاهش یابد، رشد جمعیت کند خواهد شد. موجودات هوازی اغلب با در دسترس بودن O2 محدود می شوند. اکسیژن خیلی محلول نیست و ممکن است آنقدر سریع تخلیه شود که فقط سطح کشت دارای غلظت O2 مناسب برای رشد باشد. سلول های زیر سطح قادر به رشد نخواهند بود مگر اینکه کشت به روش دیگری تکان داده شود یا هوادهی شود. رشد جمعیت نیز ممکن است به دلیل تجمع مواد زائد سمی متوقف شود. به نظر می رسد این عامل رشد بسیاری از کشت های بی هوازی را محدود می کند (کشت هایی که در غیاب O2 رشد می کنند).

به عنوان مثال، استرپتوکوک ها می توانند آنقدر اسید لاکتیک و سایر اسیدهای آلی را از تخمیر قند تولید کنند که محیط آنها اسیدی شود و از رشد جلوگیری شود. کشت‌های استرپتوکوک نیز می‌توانند به دلیل کاهش ذخایر قند وارد فاز ثابت شوند. در نهایت، شواهدی وجود دارد مبنی بر اینکه رشد ممکن است با رسیدن به سطح بحرانی جمعیت متوقف شود. در این فاز متابولیت های ثانویه توسط ارگانیسم هایی تولید می شوند که ترکیباتی هستند که ارتباط مستقیمی با رشد ارگانیسم ندارند. به عنوان مثال آنتی بیوتیک ها، نفتالین ها، آلکالوئیدها و غیره.

فاز مرگ

پس از دوره ایستایی، جمعیت باکتریایی به دلیل مرگ سلول ها کاهش می یابد. مرحله مرگ به دلیل مرگ سلول ها شروع می شود. فاز به دلیل فرسودگی مواد مغذی، تجمع محصولات سمی و آنزیم های اتولیتیک شروع می شود.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.