عوامل موثر در سرعت رشد باکتریها

 تدوین: بابک براتی

مدرس دانشگاه, مولف کتاب آزمایشگاه میکروب شناسی و متخصص در زمینه بیوتکنولوژی میکروبی

 

**********************************************************

 

 

*************************************

فعالیتها

************************************* 

دوستانی که برای تحقیقات و کارهای خود نیاز به مشاوره، راهنمایی و یا حتی اجرای پروژهدارند به فرازی از فعالیتها انتفاعی زیر توجه کنند:

 

·         طراحی و سنتز پپتیدهای (آنتی میکروبیال و ...) مورد نظر و درخواست شما

·         پذیرش پروژه های مستقل و مشترک در زمینه های بیوتکنولوژی میکروبی

·         برگزاری کارگاههای آموزشی در زمینه های میکروبیولوژی و بیوتکنولوژی میکروبی

·         مشاوره در انجام پروژه های میکروبیولوژی و بیوتکنولوژی میکروبی

·         پیشنهاد طرح و راهنمایی در انجام پروژه های تحقیقاتی در زمینه های میکروب شناسی و بیوتکنولوژی

·         تدریس و آموزش دروس آزمایشگاهی میکروب شناسی ( قارچ شناسی، باکتری شناسی، میکروبیولوژی عمومی، میکروبیولوژی غذایی، میکروبیولوژی کاربردی و ...)

·         ارائه روش کار و چگونگی انجام آزمایش های میکروب شناسی ،  مولکولی و مهندسی ژنتیک

 

عزیزانی که برای تحقیقات و کارهای خود نیاز به مشاوره، راهنمایی و توضیح روش های کار دارند می توانند با ایمیل و یا تلفن اینجانب بابک براتی تماس حاصل نمایند.

 

 

barati1987@yahoo.com               TEL: 09384198788

 

********************************************************************************************************************************

عوامل موثر در سرعت رشد باکتریها

برای توسعه روشهای حفظ کالاهای فاسد شدنی و تشکیل محصول در فرآیند تخمیر تاثیر فاکتورهای محیطی بر روی سرعت رشد مورد مطالعه قرار گرفته ، از این رو سرعت فاکتور مهمی است . فاکتورهای موثر که بر روی سرعت واکنش های شیمیایی اثر می گذارند شامل : ماده اصلی قابل دسترس ، محصولات و پارامترهای فیزیکی مثل درجه حرارت ، PH ، فشار می باشد .

از این رو بعضی از واکنش ها به اکسیژن نیاز دارند در صورتیکه واکنش های دیگر توسط شرایط اکسیداسیون مهار می شوند ، پس غلظت اکسیژن پارامتر مهمی است .

آب بک حلال برای واکنش های داخل سلول است ، از این رو کاهش دادن آب قابل دسترس سلول ها روی سرعت رشد و نمو آن اثر می گذارد . هر موجود زنده به یک محدوده ویژه برای رشد و نمو نیاز دارد و برای هر پارامتر از قبیل درجه حرارت و PH یک حد مطلوب وجود دارد که حداکثر رشد در آن اتفاق می افتد .

میکروارگانیسم ها توسط تفاوت متابولیکی خیلی زیادی که دارند مشخص می شوند و آنها در زیستگاههای اکولوژیکی مختلفی ساکن می شوند .

بنابراین فیزیولوژیستهای میکروبی به هر دو مورد علاقه مند شدند که اگر میکروارگانیسم تحت تاثیر پارامترهای مختلف قرار بگیرد کدام سلول واکنش نشان می دهد و کدام خود را وفق می دهد .

مطالعات مخصوصی در مورد این میکروارگانیسم ها انجام شد که چطور این ها می توانند پایداری زیادی داشته باشند . ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

·     ماده غذایی قابل دسترس :

دو فاکتور غذایی وجود دارد که روی سرعت رشد اثر می گذارد :

1 . غلظت

2 . کیفیت

غلظت ماده غذایی روی سرعت رشد اثر می گذارد که در شکل 2.3 مشاهده می شود . ( حضور ترکیبات اصلی بیش از حد مجاز ) .

این منحنی اغراق آمیز است و می توان آن را توسط معادله تجربی نمایش داد . اثر آهنگ تغییرات روی سرعت رشد از معادله زیر پیروی می کند :

 

μ = μm ( )

 

μm = حداکثر سرعت رشد کسب شده در ماده غذایی مازاد .

S   = غلظت ماده محدود کننده رشد

Ks  = نصف حداکثر مقدار اشباع

از شکل 2.3 می توان فهمید که در حالت اشباع سلول ها در حداکثر سرعت رشد هستند . در غلظت اشباع سرعت رشد ویژه کاهش می یابد هرچند این کاهش قابل توجه نیست تا وقتی که غلظت پایین آید .

معادله شبیه معادله میکائیلیس منتن  می باشد که برای اندازه گیری سرعت واکنش هایی است که توسط آنزیم کاتالیز می شوند . درکل مقدار Ks بدست آمده برای سطح رشد خیلی پایین است.

2 μM و 20 μM برای قندها و 2nm برای آمینواسیدها که این منعکس کننده افنیته زیاد سیستم برای بالا بردن سطح است . می توان فهمید که در یک کشت معمولی سرعت ویژه رشد μ به μm نزدیک می شود تا زمانی که فاز رشد پایان یابد و یا مقدار اندکی از ماده اصلی رشد باقی مانده باشد .

دو پارامتر μm و Ks  درنتیجه رشد مهم هستند . این را می توان در شکل 2.4 دید .

یک موجود زنده ( با یک μm بالا ) در غلظت بالای ماده غذایی رشد می تواند شریع رشد کند در غلظت پایین ماده اصلی رشد سریع تر اتفاق می افتد که مزیتی که دارد افنیته زیاد می باشد ( Ks پایین ) .

کیفیت ماده غذایی محیط کشت جزء اصلی کشت است . سرعت رشد یک میکروارگانیسم در یک محدوده وسیع به پیچیدگی محیط کشت بستگی دارد . از روی جدول 2.1 می توان فهمید که باکتری salmonella typhimurium  می تواند روی یک محیط کشت ساده مثل یک منبع کربن و انرژی ( لیزین و گلوکز ) و مخلوط نمک غیرآلی که عناصر لازم N و P و S را آماده می کند رشد کند .

منابع کربن سرعت رشد ویژه را نسبت به دیگر منابع بالا می برند .

مواد مرکب انرژی لازم برای واکنش های ضروری سلول را آماده می کنند و کربن برای رشد سلول متابولیزه می شود . با افزایش ماده اولیه در محیط کشت ( برای مثال اضافه کردن مخلوط آمینواسید ) سرعت رشد افزایش می یابد ، برای تشکیل و سنتز جسم جدید از پیش ماده درون سلول ها به انرژی نیاز است که این انرژی از راههای گوناگون بدست می آید . ( سنتز پروتئین ، RNA ، غشاء ، Cell Wall و غیره ) .

درآزمایشگاههای مختلف برای بدست آوردن سرعت های رشد گوناگون ، محیط های مختلف آماده می کنند مثل تزریق آبگوشت که این روش بطورمعمول استفاده می شود . اطلاعات بدست آمده را باید ثبت کرد . همه میکروارگانیسم ها به غلظت بالای ماده غذایی پاسخ نمی دهند . باکتری الیگوتروف ( که در محیط های آبی بسیار وجود دارد ) نمی تواند در غلظت بالای ماده غذایی رشد کند . این باکتری ها روی وسایل بکاربرده شده رشد نمی کنند . باکتری های الیگوتروف خود را به محیط های غذایی خیلی کم از قبیل آب شور وفق داده اند و سیستم های کارآمدی دارند که توسط آن ماده غذایی محیط را تغلیظ می کنند .   ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

·     درجه حرارت  :

درجه حرارت یک فاکتور محیطی متغیر مهمی است که بر رشد میکروب ها اثر می گذارد . هر میکروارگانیسم یک محدوده مشخص دما دارد که می تواند در آن رشد کند . بیشتر میکروارگانیسم های یوکاریوتی در دمای 45 درجه می میرند ، اگر چه بعضی از قارچ ها می توانند بالای 60 درجه رشد کنند . در حقیقت باکتری ها بین 90 تا 7- درجه رشد می کنند . باکتری هایی که در نزدیک چشمه های گرم اعماق دریا زندگی می کنند حداکثر در دمای 120 درجه می توانند رشد کنند .

برای یک موجود زنده یک حداقل ، یک حد مطلوب و یک حداکثر دمای رشد وجود دارد . گفتن حد مطلوب سخن غلطی است بجای آن نزدیک حداکثر درجه حرارت مناسب است .

موجود زنده طبق درجه حرارت به 3 گروه تقسیم می شود این ها بطور قراردادی تعریف شده اند و در حقیقت منعکس کننده پاسخ طبیعی میکروب ها به درجه حرارت های مختلف نیست . 

سرمادوست ها : این گونه ها قادر هستند در 0 درجه رشد کنند و درجه حرارت مطلوب آنها زیر 20 درجه است . گونه های باکتری سرمادوست ها شامل : ( مخصوصا سودوموناس ها ، فلاوباکتریوم ، آکروموباکتر ، میکروکوکوس ها و گونه های serratia ) ،  مخمرها ، قارچ ها و برخی جلبک ها است. آنها به آرمی در درجه حرارت زیر 0 درجه رشد می کنند به شرطی که آب در محیط کشت بطور کامل یخ زده نباشد .

مزوفیل ها : حد مطلوب درجه حرارت این باکتری ها بین 20 و 37 درجه است و شامل : میکروارگانیسم های معمولی هستند که در انسان ، حیوان و پاتوژن های گیاهی هستند .

ترموفیل ها : این باکتری ها در درجه حرارت بالای 40 – 50  درجه رشد می کنند و شامل برخی سیانوباکترها ، آکتینومیست ها و گونه هایی از باکتری های باسیلوس و کلستریدیوم است .

ترموفیل ها در موادی که با خاک در تماس هستند یا در محیط های خیلی داغ از قبیل استخرهایی با درجه حرارت بالا ، مکان هایی مثل چشمه های آب گرم رشد می کنند .  ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

چطور درجه حرارت بر سرعت رشد اثر می گذارد ؟

 سرعت یک واکنش شیمیایی با درجه حرارت طبق معادله زیر بدست می آید :

LogV = + عدد ثابت  

V = سرعت

R = ثابت گازها

ΔH = انرژی فعال سازی

T = درجه حرارت مطلق

این ها یک خط نقطه چین می دهند که لگارینم سرعت برابر   است . برای بسیاری  از میکروارگانیسم ها شکل بدست آمده به شکل 2.5 شباهت دارد .

   در درجه حرارت بالاتر منحنی طبیعی است و اغلب دما رقابت بین فرآیندها سنتتیک و تنزل را     شرح داده از قبیل دناتوراسیون پروتئین که منجر به شکسته شدن اجزاء سلول می شود .

در درجه حرارت متوسط  رابطه آرنیوس کاربرد دارد در صورتیکه در دمای پایین تر وقتی سرعت واکنش تئوری را پیش بینی می کنیم یک کاهش سریع در μ  وجود دارد .

در این درجه حرارت پایین ممکن است کنترل مکانیسم ها از کار بیفتد . ( ملاحظه ماهیت آنزیم های آلوستریک  P.221 )  یا در سیالیت غشاء تغییر ایجاد شود که نتیجه آن کریستالیزاسیون برخی اجزاء لیپیدی است . ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

·      PH  :

مانند درجه حرارت ، هر موجود زنده در یک محدوده معینی از PHرشد می کند و یک PH مطلوب دارد . باکتری ها در مقایسه با قارچ ها مقاومت کمتری به PH زیاد دارند . برخی باکتری ها ی اسید دوست می توانند در PH پایین برخی مواد اسیدی رشد کنند مثل گونه های لاکتوباسیلوس که در اسید لاکتیک رشد می کنند ، استوباکترزیلینوم در اسیداستیک و تیوباسیلوس تیواکسیداز در اسید سولفوریک رشد می کنند .

بیشتر قارچ ها یک PH حداقل بین 1.5 تا 2.0 برای رشد دارند ، اما برخی گونه های Demiataceae , Acontium Velatim  گزارش شده  که درغلظت 2.5 N اسید سولفوریک اشباع با cuso4 رشد می کند .

بازوفیل ها : باکتری هایی که درPH بالای 10.5 رشد می کنند . بیشتر بازوفیل هایی که در گذشته شناسایی شده اند آرکوباکتری ها هستند . باکتری ویبریوکلرا که عامل بیماری وبا می باشد در PH نسبتا بالا رشد می کنند . میکروارگانیسم ها در محیط هایی که PH بالا دارند سعی می کنند که با صرف انرژی PH را نزدیک محدوده خنثی نگه دارند . موجودات زنده برای مقاومت در برابر PH خارج دارای یک ساختمان خارجی هستند که از آنها حفاظت می کنند .   ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

·     فعالیت آب  (aw ) :

در میکروارگانیسم ها ، آب جزء اصلی سلول می باشد که حدود 80% سلول را تشکیل می دهد و آب برای بسیاری از واکنش های سلول بعنوان حلال بکار می رود. در سلول روش هایی وجود دارد که دسترسی به آب را محدود می کند :

1). انحلال نمک ها و قندها که فشار اسمتیک محیط را افزایش می دهد .

2). حذف فیزیکی آب توسط فرآیندهای تبخیر با تصعید .

3). انجماد که منجر به تشکیل کریستال های یخ درسلول می شود .

این آزمایشات برای میکروارگانیسم مرگ آور است . در حقیقت ، انجماد یا خشک کردن توسط انجماد ( lyophilization ) اغلب به طور نامحدود در کشت میکروب استفاده می شود. آب در دسترس یک موجود زنده را می توان مشخص کرد که با ( aw ) نشان می دهند . این مقدار نسبت فشار بخار آب در محلول مورد مطالعه ( p soln  ) به فشار بخارآب خالص ( pH2O) در فشار و درجه حرارت ثابت می باشد .

a w =

حداقل میزان آب برای رشد برخی میکروارگانیسم ها در جدول 2.2 نشان داده شده است .

برخی باکتری ها در aw پایین تر از 0.9 نمی توانند رشد کنند به استثناء استافیلوکوکوس اورئوس که باعث مسمومیت غذایی می شود و در aw = 0.86  رشد می کند .

باکتری های نمک دوست ( گونه های هالوباکتریوم ) که در aw = 0.75 ( معادل Nacl 5.5M ) می توانند رشد کنند . مخمرهای osmophilic مثل zygosaccharomyces وتعدادی از قارچ های خشک زی می توانند در غلظت بالای قند و aw = 0.6  رشد کنند ( سوکروز اشباع شده یا فروکتوز 70 % که aw = 0.76 است ) .

نکته : برخی موجودات زنده که به غلظت بالای قند مقاوم هستند ممکن است به غلظت بالای نمک مقاوم نباشند . ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)

 

·     کشش اکسیژن و پتانسیل اکسایش کاهش :

برخی موجودات زنده برای رشد به اکسیژن نیاز دارند ( هوازی ) در صورتی که بی هوازی های اجباری در حضور اکسیژن کشته می شوند و در آزمایشات برای رشد میکروب در محیط کشت باید از آنها مراقبت کرد . ( برای حذف اکسیژن می توان موادی را اضافه کرد مثل اسید اسکوربیک یا تیوگلیکولات ) . بی هوازی ها را می توان در ظروف شیشه ای مخصوص فاقد اکسیژن مثل anaerobic ویا تحت یک جریان نیتروژن نگهداری کرد تا رشد کنند . موجودات زنده بسیاری وجود دارند که شرایط بی هوازی اختیاری را می توانند تحمل کنند . برخی موجودات مثل microaerophiles هستند که در حضور غلظت کم اکسیژن در حدود 20% V/V می توانند رشد کنند . در سلول هایی که متابولیسم فعال دارند آنزیم های کاتالیک وجود دارند که محصولاتی مثل پراکسید و رادیکال های آزاد سمی  که در واکنش های فرعی تولید می شوند را از بین می برند . سوپراکسید آزاد O2  بیشترین محصول فرعی سمی است که تولید می شود .

موجودات زنده برای رشد نیاز به مولکول های اکسیژن دارند . ( اکسیژن معمولا بعنوان پذیرنده الکترون انتهایی در تنفس هوازی نقش دارد ) برخی آنزیم ها هستند که می تواند این مسمومیت را رفع کند برای مثال سوپراکسید دیس موتاز که واکنش زیررا کاتالیز می کنند :

2H+ + 2 O2                             H2O2 + O2

 

و برخی آنزیم ها تبدیل پراکسید هیدروژن را به آب کاتالیز می کنند :

2 H2O2                           2 H2O + O2

 

آنزیم  سوپراکسید دیس موتاز برای باکتری هایی که رشد هوازی دارند ضروری است . باکتری E.coli که بی هوازی اختیاری است بطور معمول موتاز دارد . بی هوازی های اجباری این آنزیم را ندارند .  مولکول اکسیژن در آب انحلال کمی دارد : از این رو لازم است که به محیط کشت هوا وارد کنیم ، تکان دادن فلاسک به بهبودی انتقال اکسیژن کمک می کند ، پاشیدن و همزدن مکانیکی روش خوبی است که نشانه آن تشکیل حباب های هوا در محیط کشت میکروب است . ........................ (جهت حفظ اختصار بقیه مطالب حذف شده است!)