Что такое бактериальная культура, или Воспитание «ручных» микроорганизмов
Мир вокруг нас просто кишит различными микроорганизмами. Они есть в воздухе, воде, почве, в нашем организме, они способны выживать даже в открытом космосе. Как же изучать и идентифицировать бактерии одного вида, как исследовать болезнетворные вирусы? Проблема в том, что микроорганизмов просто невероятно много, и все они разные. Но скопление (популяцию, колонию) бактерий одного и того же вида можно рассматривать как единый организм, что значительно упрощает определение и изучение микробов. Культура бактерий и есть такое искусственно выведенное с помощью посева скопление микроорганизмов.
Бактериальные культуры: чистые против смешанных
В микробиологии культурой бактерий называют популяцию микроорганизмов, растущую на питательной среде, которая используется в научных и медицинских целях. Различают:
Чистая культура используется:
Смешанная культура дает определение о поведении микробов «в естественной среде». То есть ученые получают возможность проследить за взаимодействием бактерий различного вида, появлением новых свойств, присущих микроорганизмам, только в «сожительстве» с другими видами. В отличие от математических законов в случае со смешанной культурой ее свойства не являются суммой свойств микробов, входящих в нее. Напротив, свойства такой субстанции могут сильно отличаться от характеристик составляющих ее микроорганизмов при их посеве и культивировании в изоляции (чистая культура).
Несмотря на то что выведение чистых культур стало мощным толчком в развитии микробиологии (и до сих пор является ее основным инструментом), смешанные культуры дают более полную картину окружающего мира, так как в природе скопления бактерий одного и того же вида обязательно контактируют с различными микроорганизмами, находящимися по соседству. Особую важность определение смешанной культуры приобретает в медицине, при исследовании взаимодействия различных инфекций с микрофлорой организма.
То есть определение заболевания основано на выведении чистых культур, а для полного изучения болезни в развитии необходимо исследовать смешанные культуры.
Выделение чистых культур
Как уже было сказано, чистая культура – многочисленное потомство одной-единственной клетки. Возникает вопрос: как же изолировать эту самую клетку? Ведь в образце, взятом для лабораторного анализа, находится огромное множество бактерий, причем необязательно одного и того же вида.
Для выведения чистой культуры существует несколько различных методов:
Кроме этих, есть еще несколько специальных методов, применяемых для микроорганизмов, гибнущих на открытом воздухе или проводимых с помощью современной высокоточной техники.
Выделенные культуры бактерий одного и того же вида тщательно консервируют (высушивают, изолируют от атмосферы, подвергают заморозке и т. д.) и хранят в соответствии с инструкциями.
Коварная кишечная палочка
Наглядным примером использования бактериальных культур в медицине может стать кишечная палочка. С одной стороны, микроорганизмы группы кишечной палочки постоянно присутствуют в организме человека и животных, т.е. являются частью нормальной микрофлоры кишечника. С другой стороны, некоторые штаммы могут не только представлять опасность для здоровья, но и привести к смертельному исходу у людей с ослабленным иммунитетом (старики, маленькие дети).
Безвредные штаммы кишечной палочки, обитающие в организме хозяина, синтезируют необходимые витамины и «сражаются» с патогенными бактериями, попадающими в кишечник, отбирая у них пищу и жизненное пространство. Однако та же кишечная палочка отвечает за развитие:
Важной задачей является определение типа кишечной палочки и количества этих бактерий в организме человека. Для этого берутся анализы мочи, кала, мазок из влагалища, гноя, рвотных масс. Затем проводят выделение чистой культуры бактерий. Определить патогенность (опасность для здоровья) колонии микроорганизмов по внешнему виду достаточно сложно, ведь в нормальной микрофлоре тоже присутствует кишечная палочка. Поэтому изучают не только морфологию (форму и строение), но и биохимические свойства (процесс жизнедеятельности, влияние на окружающую среду). Затем полученные результаты сравнивают с имеющимися данными о «поведении» патогенных бактерий и назначают лечение.
Кроме того, микробиология научилась использовать свойства кишечной палочки для определения загрязнения окружающей среды. Дело в том, что кишечная палочка выводится из организма человека и животных вместе с фекальными массами. В случае попадания стоков в водоемы есть риск появления патогенных бактерий в обычной водопроводной воде, что может привести к серьезным эпидемиям.
Чтобы избежать подобного сценария, санитарно-эпидемиологическая служба регулярно берет образцы для лабораторных анализов. Именно кишечная палочка служит надежным индикатором чистоты воды. От того, какое количество бактерий одного вида будет найдено в образце, зависит показатель чистоты. Более того, анализируя полученные результаты можно даже определить источник загрязнения, то есть выяснить, кто является «поставщиком» бактерий: человек или животные.
Бактериальные культуры в промышленности
Применение бактериальных культур в промышленности можно рассмотреть на примере молочнокислых бактерий. Представители одного и того же вида встречаются в организме человека и животных, на растениях, в молоке и молочнокислых продуктах. Они принимают участие в сбраживании молока, квашении капусты, силосовании кормов и даже в изготовлении заменителя плазмы крови.
Понятно, что в промышленных масштабах нельзя пускать процесс брожения, за который отвечают молочнокислые бактерии, на самотек. Следовательно, нужны значительные объемы бактерий одного и того же вида, чтобы получившийся в результате продукт всегда имел строго определенные свойства.
Возникает вопрос: как же вырастить требуемый объем молочнокислых бактерий (закваску)? Для этого понадобится питательная среда и собственно культура молочнокислых микроорганизмов, т.е. колония бактерий одного и того же вида, полученная в лабораторных условиях.
В промышленности используют так называемую периодическую систему культивирования молочнокислых бактерий, т.е. в питательную среду вносят определенное количество микроорганизмов, после чего больше не вмешиваются в процесс их размножения. Во время развития биомасса проходит несколько стадий (периодов). Сначала бактерии активно размножаются, затем количество пищи в питательной среде естественным образом уменьшается и микроорганизмы приостанавливают рост, а некоторые начинают отмирать.
Следовательно, периодическая система поддерживает рост колоний молочнокислых бактерий в течение определенного времени, после которого размножение прекращается и начинается отмирание клеток. В определенный период времени число живых бактерий становится равно количеству отмерших – наступает своеобразное равновесие. Именно в этот момент и приступают к сбору «урожая» молочнокислых бактерий, которые затем используют для приготовления наших любимых сыров, йогуртов, кефира, сметаны и других вкусных и полезных продуктов.
Казалось бы, какое отношение могут иметь выращенные в лаборатории бактерии к нашей повседневной жизни, но на практике микробиология настолько тесно вошла в наш обиход, что трудно даже представить, как можно обойтись без продуктов и технологий, созданных учеными-микробиологами.
Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.
Смешанная культура
Смешанная культура, совместное выращивание на питательных средах двух или нескольких микробных видов. Культивация такой смеси позволяет учесть взаимодействие микробов и изучить микробную ассоциацию не в виде отдельных культур, ее составляющих, а как нечто целое. Изменения, к-рые претерпевают микробы в С. к., весьма разнообразны. Они могут касаться способности к росту, культуральных и серологических свойств, вирулентности, токсичности и т. д. Новые свойства, появляющиеся у микробного вида в С. к., в одних случаях остаются у него только на тот период, когда он находится в сожительстве с другим видом,—симбиотические свойства, а в других сохраняются у него в ряде генераций и после выделения его из С. к.—метасимбиотичес-кие свойства. Примерами, иллюстрирующими с им биотические свойства микробов, являются следующие: избыточное образование токсина дифтерийной палочкой в С. к. со стрептококком; стимуляция роста, токсинообразо-вания и ферментативной деятельности ряда анаэробов в С. к. со стафилококком и стрептококком, стимуляция развития холерного выбрио-на, возбудителя инфлюенцы и чумы в С. к. с рядом микробов (дрожжи, сарцины) и т. д. Эти свойства являются результатом симбиоза (см.), а также и антибиоза микробов; так напр. развитие гонококка подавляется в С. к. с синегнойной палочкой, кишечной палочки с сибиреязвенной, кишечной палочки с путридными микробами, различных анаэробов с аэробами и т. д. Аналогичные явления наблюдаются не только in vitro, но и in vivo, когда С. к. вводится в живой организм (см. Синергия и Антагонизм микробов). Метасимбиотические свойства, появляющиеся в С. к., могут возникать как совершенно новые для культивируемых совместно видов. Такие изменения описаны у кишечной палочки и паратифа в отношении нек-рых культуральных и серологических их свойств. Часто изменение свойств одного микробного вида идет в сторону приближения их к свойствам другого микробного вида, живущего вместе с первым в С. к. Таковы напр. парааглютинирующиеся (см. Парааглютина-ция) свойства микробов, свидетельствующие о резком изменении их серологических и антигенных свойств в С. к. Изменения, наступающие в С. к., настолько значительны, что микроб, выделенный из С. к., может обусловить инфекцию и иммунитет, специфические в отношении того симбионта, с к-рым микроб размножался в С. к. (параинфекция и параиммунитет). Работы последнего времени позволяют думать, что в С. к. фильтрующегося вируса с банальными микробами вирус может развиваться на этих микробах (напр. вирус оспы на дрожжевых клетках—Зильбер и Вострухова).
С. к. не представляет собой сумму свойств культур, ее составляющих, но обнаруживает свойства (миксидноматические свойства—свойства смешанности), к-рые не наблюдаются у составляющих ее микробов при их росте в изолированном состоянии. Так напр. В. fusiformis в смеси со стрептококком растет с запахом, отсутствующим при росте этих микробов в чистых культурах; протей и тифозный микроб и ряд других микробов продуцируют на определенных средах газ, каковым свойством не обладает ни один из составляющих С. к. микробов при росте в изолированном состоянии, и т. д. Таким образом свойства микробов меняются в С. к., а сама С. к. обнаруживает свойства, не совпадающие с суммой «свойств составляющих ее культур микроорганизмов. Это и определяет собой значение метода С. к., так как микробы в естественных условиях почти никогда не находятся в стерильной среде. Изучение свойств микробов при размножении их в естественных сочетаниях с другими несомненно в значительно большей степени приближает к знанию присущих микробам в естественных условиях свойств, чем изучение их в чистых культурах, хотя изучение микробов в чистых культурах, обеспечившее громадный прогресс микробиологии, продолжает все же оставаться основным методом бактериологического исследования.
Наличие в С. к. ряда новых свойств и иной характер воздействия такой микробной ассоциации на живой организм и на внешнюю среду побудили Виноградского изучать наряду с остальными микробными видами, населяющими почву, и ее микробный пейзаж in toto, для чего им предложены соответствующие методы. Приложение метода С. к. в человеческой патологии особенно важно при изучении инфекционных процессов, развертывающихся в нестерильных территориях организма, где патогенный микроб всегда встречает определенную микробную флору, изменяющуюся под влиянием патогенного микроба и изменяющую его в свою очередь (наир.инфекционные процессы в глотке, кишечнике, анаэробные инфекции, осложненные кокковыми и др. микробами, и т. д.).
Лит.: Зильбер Л., Проблема смешанной культуры в микробиологии, Жури, микробиол. и иммунобиол., т. XI, выл. 3, 1933; 3 и л ь б е р Л. иНикольскаяЗ., О смешанных культурах, Жури, эксперим. биол. и мед., 1927, № 18; С к о р о д у м о в Л., Культура и колония микроорганизмов, Тифлис, 1933; Holman W,, Bacterial associations (глава в книге Е. Jordan a. J. Falk, The newer knowledge of Bacteriology and Immunology, Chicago, 1928). Л. Зильбер.
КУЛЬТУ́РА МИКРООРГАНИ́ЗМОВ
Том 16. Москва, 2010, стр. 312
Скопировать библиографическую ссылку:
КУЛЬТУ́РА МИКРООРГАНИ́ЗМОВ, популяции микроорганизмов (бактерии, археи, микроскопич. грибы и водоросли, простейшие), выращенных на поверхности или в толще питат. среды, которая содержит все необходимые для их роста и развития вещества. Первично выделенная из к.-л. источников (воды, почвы, воздуха или др. среды) культура обычно неоднородна по видовому составу организмов и называется смешанной (исследования, проводимые на смешанных культурах, позволяют, напр., оценить формы взаимодействия микроорганизмов в местах их естеств. обитания). Уже во 2-й пол. 19 в. стало очевидным, что изучать физиологич. и биохимич. особенности микроорганизмов можно, используя только чистые (аксенические) культуры, включающие представителей одного вида; были разработаны методы их выращивания на плотных питат. средах на основе агара или желатина. В процессе роста и размножения микроорганизмов на плотных средах образуются видимые невооружённым глазом скопления клеток – колонии. Их величина, характер поверхности, консистенция, пигментация и ряд др. признаков, как правило, имеют специфические для каждого вида микроорганизмов особенности. Чистые культуры получают из т. н. накопительной культур ы, в которой преобладают представители одной физиологич. группы или одного вида. Сущность метода накопительных К. м. (введён в практику микробиологич. исследований С. Н. Виноградским и М. Бейеринком) заключается в создании элективных (избирательных) условий, обеспечивающих преимущественное развитие «нужных» организмов из смешанной популяции. Такие условия создаются чаще всего подбором соответствующих питат. сред, поскольку разл. микроорганизмы предъявляют неодинаковые требования к источникам питания. Кроме того, учитывается их отношение к аэрации, темп-ре, кислотности среды, освещённости и др. Для выделения чистой культуры производят отбор из отд. колонии клеток или получают потомков одной клетки (клон). В первом случае клетки отд. колонии с характерными свойствами пересевают на (или в) новую питат. среду, а для получения клона используют микроманипулятор, микроселектор и др. технич. средства, позволяющие отделить одну клетку от остальных клеток популяции под контролем микроскопа, а затем перенести её в соответствующие условия для размножения. Если в культуре развиваются представители только двух видов, причём их специально поддерживают в ассоциации друг с другом, то такая культура называется двухкомпонентно й.
Смешанная культура экосистем
Эти системы нельзя оценивать как монокультуры, замещающие природные экосистемы в масштабе целых регионов, например кукуруза на месте прерий в США.
Смешанная культура — это традиция, при которой фермеры отбирают и соединяют культуры, что позволяет в местных условиях получать более устойчивые урожаи, равномернее распределять затраты труда во времени, уменьшать эрозию почвы и использовать положительные взаимодействия культур. Чтобы оценить НЧП при смешанной культуре в целом, данных недостаточно, и очень может быть, что такое обобщение вообще не имеет смысла из-за различий в системах земледелия, приспособленных к местным условиям. В настоящий момент мы можем оценить только биологические основы урожайности смешанных посевов.
При оценке продуктивности этих систем часто встречаются недоразумения: например, считают, что смешанная культура — это малоэффективная народная традиция и ее нельзя использовать в широких масштабах. Это обвинение основано на допущении, что дополнительные трудовые затраты при смешанной культуре относительно велики в сопоставлении с выигрышем в урожайности. Однако, судя по недавним обзорам, это утверждение неверно, и замечательная традиция смешанной культуры заслуживает пристального внимания. К сожалению, мы располагаем только сведениями об урожайности в смешанных посевах, а этих данных недостаточно для оценки влияния взаимодействия культур в смешанном посеве на их урожайность.
Практически все научные исследования продуктивности смешанных посевов, включая результаты, сведенные Тренблатом, и обширную программу наблюдений, осуществленную в Индии после 1972 г., относятся к смешанным посевам двух культур, однако и на этом примере можно показать, какие взаимодействия проявляются в смешанных посевах, и разработать методы анализа их продуктивности.
Модельные системы из двух культур, используемые в исследованиях, не дают никакого представления о тех сложностях, которые присущи традиционной смешанной культуре. Вебстер и Вилсон описали африканские системы земледелия, в которых размещение культур приспосабливается к микротопографии, а смена культур включает самые различные и не поддающиеся классификации сочетания смешанных посевов и последовательно сменяющихся культур. В некоторых из наиболее сухих районов Индии до половины посевов составляют смеси четырех культур. Вряд ли разумно полагать, что результаты изучения смесей двух культур можно экстраполировать на более сложные смешанные посевы, — для того чтобы понять взаимодействие культур в таких посевах, необходимы независимые исследования более сложных систем земледелия деревенского типа.
Смешанные посевы связаны с целым набором агротехнических приемов. Если смесь культур высевается одновременно, семена разных культур могут высеваться порознь, в определенном порядке, и в смеси вразброс. Очень часто семена второй культуры подсевают в уже растущий посев. При значительном различии культур по скорости роста вторая ситуация возникает и при совместном высеве.
Хотя прямых доказательств нет, я полагаю, что смешанные посевы, которые я видел в Индии или описанные в указанных выше обзорах, — это примеры очень сложного использования растительных сообществ и управления ими. Методом проб и ошибок земледельцы, хорошо ощущающие соотношение затрат и отдачи, создали богатый набор традиций, которые при должном изучении и оценке могут оказаться примером сложной экологической инженерии.
Для сопоставления монокультуры и смешанной культуры Тренблат использовал два термина: суммарный относительный урожай и избыточный урожай. Величина относительного урожая (ОУ) переопределена здесь как сумма вкладов каждой культуры в смеси, представленных в виде доли урожая этого вида растений в монокультуре. Для смеси двух культур с одинаковой густотой посева ОУ определяется из урожая (У) каждой культуры следующим образом:
Таким образом, если в смеси урожайность вдвое ниже, чем в монокультуре, ОУ=1, то крестьянин получил бы точно такой же урожай, разделив поле на две равные части и засеяв их двумя культурами порознь. Распространенным показателем является относительный земельный эквивалент: площадь под монокультурой, эквивалентная по урожайности единице площади смешанного посева.
Промежуточная и смешанная культуры использовались в Китае еще 2 тысячи лет тому назад, и они продолжают оставаться важной составной частью земледелия этой страны. Обычные компоненты смешанных посевов — это соя и кукуруза, и члены исследовательской группы Бака сопоставили в нескольких деревнях урожайность этих культур и затраты труда при монокультуре и смешанной культуре. Смешанные посевы всегда были более урожайными, несмотря на значительные колебания этого показателя из-за погодных условий (так, в Янчэне в 1929 г. по сравнению с 1922 г. сбор кукурузы в смешанном посеве упал на 20%, а урожай сои увеличился на 38%). Смешанные посевы были не только более урожайными: их урожайность за эти два года колебалась меньше, чем в монокультуре.
Относительные трудозатраты (ОТ) определяли путем деления затрат в смешанном посеве на сумму половинных затрат для двух монокультур (в днях на гектар). Затраты человеческого труда выше в смешанной культуре, главным образом, из-за более сложной уборки. Затраты труда изменяются от деревни к деревне, однако очевидно, что дополнительные затраты труда ниже, чем дополнительный урожай. Кроме того, наблюдается существенная экономия тягловой силы, что особенно важно, поскольку время использования животных в период посевной — ограничивающий фактор, определяющий оптимальные сроки сева.
Норману удалось вычленить влияние периода трудозатрат при экономическом анализе моно — и смешанной культур в Зариа.
Прирост урожая на единицу трудозатрат был на 25 % выше при монокультуре, но в июне и июле, когда трудовые ресурсы наиболее дефицитны, оплата трудозатрат урожаем была на 45 % выше при смешанной культуре. Кроме того, Норман показал, что вероятность более высокой урожайности при смешанной культуре составляет 0,715.
Обычный довод в пользу смешанной культуры — стабильная урожайность. Об этом свидетельствуют результаты опытов Рао и Вилли, в которых изучали три парных сочетания культур при оптимальных условиях увлажнения и при засухе. В среднем снижение урожайности культуры при засухе составляло 0,8 т/га, однако общая урожайность смешанного посева уменьшилась только на 0,34 т/га. При благоприятных погодных условиях урожайность при монокультуре и смешанной культуре была одинаковой, но в засушливые годы, когда для деревни наступают трудные времена, даже эти простейшие смешанные посевы давали более высокие урожаи, чем монокультура. Таким образом, ценность смешанных посевов следует оценивать скорее по их устойчивости к погодным условиям, чем просто по величине относительного или избыточного урожая. Смешанная культура — это своего рода экологическая страховка, позволяющая земледельцу увеличить среднюю урожайность во все годы, и это преимущество служит лучшим оправданием концентрации усилий Института сельского хозяйства полузасушливых тропиков на изучении смешанных посевов. Надежное получение урожая особенно важно в деревенских экосистемах, находящихся на грани голода, этот фактор не имеет столь важного значения для товарного сельского хозяйства.
Взаимодействие культур в смешанном посеве
Взаимодействие культур в смешанном посеве часто приводит к резкому снижению урожайности одной из них. Другие виды взаимодействия были выявлены при изучении смешанных посевов кукурузы и вьющейся фасоли.
Смеси бобовых с кукурузой широко распространены в Южной Америке и других регионах. Такое сочетание повышает хозяйственный урожай (ОУ=1,32), однако при этом еще сильнее изменяется НЧП и ее компоненты: НЧП смеси в 1,88 раза выше, чем при монокультуре, причем величина хозяйственного урожая у кукурузы остается на уровне 0,28, а у фасоли падает с 0,42 в монокультуре до 0,28 в смешанном посеве.
Взаимодействия культур в смешанных посевах разнообразны, и многие из них описаны в предварительных сообщениях Международной школы по промежуточной культуре. Тренблат перечислил 12 путей воздействия на урожай при смешанном посеве двух культур. Самые различные реакции обнаруживаются даже в простых системах, и все они, по-видимому, существенны для такой сложной смешанной системы. Это поле засеяли 26 июня вблизи деревни Патанампутти (в 50 милях к востоку от Трихинапалли, штат Тамилнад, Индия). Эта система типична для экстенсивного богарного земледелия в Индии, но, к сожалению, мы располагаем лишь описанием посева и основной информацией о биологии культур. В этом регионе почти все богарное земледелие основано на смешанных посевах 5—10 культур, и каждый крестьянин твердо знает, что и когда сеять. По свежевспаханному полю вразброс рассевают смесь пяти культур. Затем плугом, запряженным буйволами, нарезают борозды: пять из них засевают семенами каянуса с примесью гиацинтовых бобов (Lablab purpureus), а шестую — клещевиной. Три вида вигны всходят быстро, причем Vigna trilobata быстро образует неплотный покров на поверхности почвы, в который вклиниваются затем достигающие высоты 50 см вигна китайская и маш. Это начало сукцессии трех пологов растительности: сквозь полог вигны пробиваются затем пять других видов растений, которые начинают затенять вигну незадолго до уборки трех видов Vigna. В зависимости от количества осадков эту уборку проводят через 60—120 дней после посева. В течение этого времени собирают листья Hybiscus и используют их в качестве зелени.
Ко времени, когда начинается уборка бобов, а листовой полог быстро растущих видов вигны с неглубокой корневой системой отмирает, формируется стеблестой сорго. В самые сухие годы или когда подводит летний муссон (июль, август), может не уродиться вигна, а сорго растет очень плохо. Местные сорта сорго легко кустятся и остаются в угнетенном состоянии, готовые немедленно начать расти, как только выпадет дождь. Горячие и сухие ветры усиливают действие засухи, но каждый шестой ряд, образованный высокими, хорошо облиственными растениями клещевины, служит преградой ветру, защищая другие культуры от его иссушающего действия.
Гиацинтовые бобы, посеянные в качестве примеси к каянусу, убирают непосредственно перед сорго. К этому времени каянус, в течение трех месяцев развивавший единственный апикальный побег, утрачивает апикальное доминирование и начинает куститься, меняя тем самым строение своего листового полога. Урожай каянуса убирают через 7—8 месяцев после посева. Эти обычно медленно растущие растения резко ускоряют рост, если с зимним муссоном (октябрь, ноябрь) выпадает много осадков.
Крестьяне в Патанампутти, как и в других засушливых областях Индии, зависят от капризов муссонов. В этой деревне осадков выпадает меньше, чем в среднем в штате Тамилнад. Мы не располагаем местными метеоданными, однако в среднем по штату за год выпадает 70—95 см осадков (интервал при 95 % уровне значимости составляет 46—120 см). Это обеспечивает потребность культур в воде, причем устойчивость к засухе может существенно возрастать в смешанном посеве, в котором один полог сменяет другой, корни расположены в разных ярусах почвы, а растения обеспечивают защиту от иссушающего действия ветра.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.