ביוטכנולוגיה/שלבים בהתפתחותה של אוכלוסיה מיקרוביאלית

שלבים בהתפתחות האוכלוסייה המיקרוביאלית

השלבים בהתפתחות של אוכלוסיה מיקרוביאלית

על מנת לאפיין תכונות של אוכלוסיה מיקרוביאלית, אנו מאפיינים קבוצה עקב גודלם הזעיר.
בצירים של עקומת הגידול, ציר ה-Y מביע את כמות האוכלוסיה המיקרוביאלית וציר ה-X את זמן הגידול.

שלב ההמתנה / ההסתגלות / Lag - שלב A בתמונה

שלב בו התאים מסתגלים למצע הגידול. ההסתגלות כוללת הכנה לחלוקה (גידול התא וייצור כל המולקולות הביולוגיות הדרושות כמו למשל אנזימים הנדרשים לגדילה והתחלקות.

שלב ההסתגלות מתארך ככל שההבדל בין מצע הגידול ממנו התחלנו ומצע הגידול הנוכחי גדול יותר. שלב Lag מתרחש בשני מצבים :

1. במעבר מתנאים קשים לתנאים חדשים, למשל מהקפאה (תרבית מוצא) לתרבית מזרע.
2. כאשר מעברים משלב עמידה למצע טרי. התרבית מתחילה את הגידול מחדש.

שלב הגידול המואץ (Log) / גידול לוגריתמי / גידול אקספוננציאלי -

בשלב זה כל התאים בחלוקה אופטימאלית (הכי טובה) ובאותו מצב פיזיולוגי.

מתואר בגרף שבמקורו בגרף עקום ובעזרת חישובים מתמטיים (לוגריתמים) הגרף שונה לישר (לשם הנוחות).

משוואות

המשוואות שרצוי לזכור הן פיתוטח של המשוואה הראשונה, בדרך כלל, בבגרות ניתנת המשוואה הראשונה ממנה ניתן לפתח את שאר המשוואות :

${\begin{aligned}&\ln X_{t}=\mu _{t}+lnX_{o}\\&ln{\frac {X_{t}}{X_{o}}}=\mu _{t}\\&g={\frac {ln2}{\mu }}\\\end{aligned}}$

שימו לב (מי שלא למד הלגוריתמים): ליחידות ריכוז החיידקים המופיע על הגרף (l) – ישנן 2 אפשרויות (log ו-ln). כאשר נתון ל-ln אין צורך ללחוץ במחשבון על ln (הפעולה כבר בוצעה).

מקרא

• Nt – ריכוז תאים סופי. יחידות מידה : תאים למ"ל , Cells/ml, תאים / מ"ל.
• Xo - ריכוז תאים התחלתי. יחידות מידה : תאים למ"ל , Cells/ml, תאים / מ"ל.
• t – זמן. יחידות : שעות , hrs
• µ - קצב גידול. יחידות מידה : לשעה, 1/שעה, 1/ hr, hr-1.
• g - זמן דור. יחידות מידה : שעות, hrs.

זמן דור

הזמן שלוקח לחיידק אחד להפוך לשני חיידקים (פרק זמן שלוקח בין 20-40 דקות) בפרק הזמן הזה :

1. התא מגדיל את נפחו
2. לשכפל את דנ"א
3. החלוקה.

זמן דור מושפע מכמה גורמים :

1. תנאי הסביבה – ככל שיותר טובים, כך זמן הדור יותר קצר.
2. זן המיקרואורגניזמים :
   • חיידקים : בין 50 ל-60 דקות.
   • שמרים : בין 70 ל-120 דקות.
   • פטריות בין 2-7 שעות.

נוסחא לחישוב זמן דור

מספר חיידקים סופי $=a*2^{n}$

מקרא :

• מספר חיידקים סופי - מספר חיידקים סופי. יחידה : bac (קיצור לחיידקים)
• a - מספר החיידקי ההתחלתי יחידות ב- bac
• n -מספר הדורות. סימון : gem

תרגול

1. מספר הדורות הוא 5 ומספר החיידקים ההתחלתי הוא 150. כמה חיידקיים יהיו בסוף החלוקה?
2. זמן הדור של חיידק הוא 30 דקות. מספר ההתחלתי של חיידקים הוא 100 והם גודלו במשך שעתיים. מהו המספר הסופי של החיידקים?
3. זמן הדור הוא 30 דקות. התרבות גודלה במשך 3 שעות. מספר ההתחלתי של החיידקים הוא 200. מהו המספר הסופי של החיידקים?

תשובות

$150*2^{5}=60,000bac$

${\begin{aligned}&a=100bac\\&time=60*2_{hr}=120_{min}\\&\downarrow \\&n={120}{30}=4\\&\downarrow \\&100*2^{4}=1,600bac\\\end{aligned}}$

${\begin{aligned}&a=200bac\\&time=60*3_{hr}=180_{min}\\&\downarrow \\&n={180}{30}=6_{gem}\\&\downarrow \\&200*2^{6}=12,800bac\end{aligned}}$

שלב העמידה / שלב הגידול סטציאונרי

אוכלוסיית המיקרואורגניזמים נכנסת לשלב העמידה עקב שני גורמים :

1. ירידה בריכוז מרכיבי מצע חיוניים (החשוב מבניהם הוא חמצן).
2. עליה בריכוז הפרשות התאים, ברובם חומרים מזיקים.

מאפייני תאים בשלב העמידה :

1. קטנים משמעותית בהשוואה לשלב הגידול המואץ.
2. עמידים בפני קרינות ותוספת חומרים מוטגנים (מחוללי מוטציות).

שלב התמותה

כאשר חיידק מת (=אינו יכול להתרבות עוד), הוא עובר ליזיס. ישנם זנים של חיידקים / שמרים / פטריות מייצרי נבגים (= ספורה – חיידק רדום עטוף במעטפת קשיחה והפעילות המטבולית בו שואפת לאפס. עם שיפור תנאי הסביבה מעטפת הנבג נושרת והוא הופך לחיידק פעיל). יצור הנבגים (=ספורולציה) מתרחש בשלב התמותה.

ביוטכנולוגיה - הקשר בין שלבי גידול חיידקים לתהליך התסיסה

שלבי הגידול של חיידקים זהים לשלבי ריכוז התוצר המבוקש בתהליך התסיסה. המונחים בתהליך התסיסה :

1. טרופופאזה – מקבילה לשלב הגידול המואץ בו נוצרים המטבוליטים הראשונים (תוצרי תהליך פירוק או בנייה בתא).
2. אדיופאזה – מקבילה לשלב העמידה בו נוצרים מטבוליטים שניוניים.