مواضيع المحاضرة: النمو البكتيريا
background image

1

 

 

 

BACTERIAL  

GROWTH , PHYSYOLOGY AND DEATH 

 
 

Bacterial Growth 

    Bacterial

 

growth

 

involves both:-

 

(1)-an increase

 

in the

 

size organisms(when placed in a suitable nutritious environment and     

physical  and chemical conditions,a B.

 

cell beings

 

to grow) 

(2)-an increase in the number of organisms(when it has manufactured approximately  twice 

the amount of component materials that it started with, it divides). 

  The bacteria between these two processesis an increase in the total mass (biomassof the  
  culture.   

        The range of suitable components for all known B. (and archaea) is so broad,defines as the 
  "global biosphere", includes the temperatures and pressures.  Leprosy and  syphilis have not 
been able to grow or reproduce them in artificial media depends on molecular methods. 
     Growth in the laboratory has been used to serve many different purposed;- 

1-  For counting the number of  bacteria which is important in the outcome of infections 
2-  For detection and identification of the bacteria. 
3-  For assessment of antibiotics effects
4-  For obtaining  sufficient biomass for detailed biochemical analysis and to produce the 

products of the brewing and biotechnology industries. 

 

  

Type of growth 

          

In the laboratoryBgrowth can be seen in three forms;-

 

  (1)-By the development of colonies on a solid medium. 
  (2)-By the transformation of a clear broth medium to a turbid suspension

  (3)-In biofilm formation,in which growth is spread thinly (300-400

μ

in thick) over an 

inert surface and nutrition obtained from a bathing fluid 

        Single organism infections affecting normally sterile sites in the bodywhile in natural 

microbial communities are complex of  microorganism competing in many cases 
cooperation . Pure growth of a single organisms in monocultures, to produce  colonies 
or high cell densities in broth, offer great practical advantages. 

 
 


background image

2

 

 

  

Growth phases in broth culture 

      If B. cells are suspended in a liquid  mediumthe increase in the cell number or mass can be 
measured by:  
 (1)The total count (the no. of viable and dead cell) by microscope counting the cells in 
volumetric chamber slide.  
 (2)The viable count
 (the no. of viable cells only) counting the number of  colonies in  a solid 
surface media by electronic counters, defined as Colony-Forming  Units (CFU)\unite volume. 
  (3) Measurement of turbidity which is proportional to the cell mass of culture in liquid 
media. 
       The  growth phases  in broth pure culture  are summarized in the growth curve shown in 
(figure 1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

                   
  
    
                                            

Figure (1) phases of growth in a broth culture                                                            

 
 

        

The lag phase: 

        When growth is initiated by inoculation of  B. into broth media

1-Number of cells(total count = viable count)  remain constant  during which cells 
are thought to be preparing for growth,  so this phase as the  adaptation  period of  
microorganism to the new environment . 
2-Increase in the size of the cell. 
3-Increase in the metabolic rate . 
4-Build  up the necessary enzymes and intermediate metabolites for multiplication . 

Lag phase 

Exponential 
or Log phase 

Stationary  
     phase 

Decline  
  phase 

Time 

Log cell number 

Total cell  

count.  

Viable  
Count


background image

3

 

 

 

       Factors which effect on the duration of this phase:- 
  (1) Type of bacteria
  (2) 
Size of inoculums (no. of B. cells). 
  (3) 
Environmental conditions: like temperature (time of  adaptation). 
  (4)Kind of media :  better media shorter lag phase
  (5)
 Phase of culture from which inoculation is taken
  (6)
Time required for synthesis of essential coenzymes or division factor. 
  (7)Time required for synthesis of new enzymes for metabolism
   

             

  

The log  phase (exponential phase ) 

        Increase in the number of the cell then becomes detectable and established at the maximum 
rate  .This is known as the exponential phase because the noof cells is increase exponentially 
with time (B. reproduce by binary fission onetwotwofourfoureight    etc….). 
        
Under favorable conditions growth and division are replaced  every half  hour or less (20 
min) one cell reproduce thousands of millions of new organisms. Generation times (the time 
require for Bto give two daughter cells) of pathogenesis organism in vivo are much longer 
than in vitro.   
         The growth curve is normally displayed on a logarithmic scale which shows a linear 
increase in log cell no. with time .This log-linear relationship is constant for a given Bstrain 
under one set of conditions that it can be defined mathematically  as the doubling time for that 
organisms.  Depending on the spp. ,the minimum doubling  time can be as short as 20 min or as 
long as several days (e.g . eight hours for E. coli,13 min for Vibiro cholerae and 24 hour for 
Mycobacteria tuberculesis).So cholera is can kill within 12 hour whereas tuberculosis takes 
months to develop a result for diagnostic by culture is available for V. cholerae  the next day 
whereas several weeks for M. tuberculosis
      So in this phase : 
1- Cells start dividing and their no. increase(total count=viable count)  by constant rate.  
2- Bhave a high rate of metabolism 
3- Bdevelop best morphological with typical biochemical reaction. 
4- B. are more sensitive to antibiotics.     
       Factors which effect on the duration of this phase :- 
  (1)Nature of B.. 
  (2)
Temperature of the environment.                                                                                    
(3)
Rate of penetration of the medium depend on the concentration of the material in medium.

 

 
 


background image

4

 

 

 

 

The stationary phase 

        Bacterial growth cannot be continued in a closed system with limited available nutrients
so it slow down and the total count reaches a maximum and stabilizes .This shown as stationary 
or

  

 post-exponential phase .   

     So in this phase :  
1-Growth slows and stops by limitation of nutrients in closed media , lack of biological space      
and accumulation of inhibitory metabolites.  
2- The total count= viable count . Most cell in this phase are not dead, so if they diluted into 
fresh growth medium ,exponential growth will restart after a lag  phase 
3-Nutrients are depleted .  
4-Toxic waste products accumulates . 
 5- The endogenous metabolism activity decreases .  
6-Sporulation may occur at the end of the log phase and early stationary phase
7-
Cells may have high level of intracellular storage polymers such as glycogen and lipid which 
absent in log phase. 
8- G

+

 B. become G- (physical and chemical variation) . 

  

The decline  phase  

  

    The total count  of cells remains constant as in stationary phase, whereas the viable count  

    

declines due to death of cellsFactors responsible for this are:- 

  (1)Nutritional exhaustion
  (2)
Toxin products accumulation. 
  (3)Autolytic enzymes involution is common in this phase. 
     So the generation time of B. differ from 12 min→24 hour or moreand when most 
organisms  have died, few survive for several month or years ,this phase called survival phase. 
 

  

Continues culture:- 

        The study of bacterial growth in broth medium provides a valuable point in practical ,    
experimental and routine diagnostic procedures (e.g. the length of Lag phase and rates of 
exponential growth in different states are used to make safety standards for storage in the food 
industry) . 
         Cultures inoculated with cells prepared at different phase in the growth curve yield 
different results e.gthe exponential phase is used and can be extended in an open system 
known as continues culture which used for both research and industrial purposes and is 
obtained by:- 
 
 


background image

5

 

 

  (1)-Chemo state:- 
        
Chemo state studies have  provides  information  on  the chemistry of microbial growth 
and the way in which different organisms convert specific substances into biomass. 
        In which cells of growing culture are harvested  continuously by flows  device  into 
collector vessel and  nutrients  replenished  continuously which  may  pumped  from  the     
medium vessel, here rate of growth is controlled by rate of addition of fresh nutrient. The rate 
of production of new cells by multiplication = rate of removal of growth B. into collector vessel 
and process may be continued . This process has made natural and genetically manipulated 
microbes , a powerful resource for the biotechnology industry. 
  (2)-Turbido state:- 
  
      Addition of measured volume of fresh medium when turbidity in growth vessel reaches 
predetermined value by photoelectric. As result of addition of fresh medium B. diluted until 
reaching critical turbidity

 

 

Surface growth 
      

If a single B. cell is placed on a solid nutrient agar surface, it form a compact macroscopic 

mass of cells, colony , each containing millions of cells.The characteristics of colonies (e.g. 
colorshape, adherence, smell and surface texture)can be useful guides for identification of the 
spp. of bacteria. 
      Some spp. do not form compact circular colonies but swarm over the agar surface, because 
Itś capable of movement like Protus. Other spp. particularly Actinomycetes grow as long 
filaments of cells (mycelial growth). 
          Such colony presents wide range of environments (from high concentration of oxygen 
and nutrients at the edge of the colony to no oxygen or nutrients  available to cell in the centre 
of it). 
  

Bacterial Physiology 
         

A particular organisms has nutritional type and the physical conditions, reflect is 

fundamental physiological characteristic, so placing an organisms into groups is an important 
step in itś classification. 

 
Hydrogen concentration 
  

Some bacteria are: 

  (1) Acidophiles B. for organisms, such as Lactobacillus spp., that grow at acid or  lower ph 
levels 
  (2)-Basophilic B.: for organisms , such as   Vibrio cholera, that grow at alkaline or higher ph 
levels  
  (3)Neutrophiles B.: for most pathogens organisms that grow at neutral ph levels(ph=7.2-7.6).

 

 

 


background image

6

 

 

 

Nutritional types 

  

Three basic features are used in the presents terminology

  (1)The energy sourcefor ATP synthesis may be obtained from light in phototrophic   
organisms . For chemical oxidations in chemotrophic organisms. 
  (2)The hydrogen donors:-if it requires organic source of hydrogen in organotroph organisms. 
If it can use inorganic source (e.g. ammonia hydrogen sulphide) of hydrogen as  in lithotroph 
organisms. 
(3)The carbon source:-if it can fix carbon dioxide directly as in autotroph organisms. If it 
require  an organic source as in heterotroph . 
         chemo-organotrophs (medically important organisms) and chemo-lithotrophs (e.g. 
Pseudomonas spp.). Photo-lithotrophs with medical significance as the Cyanobacteria are  
now produce many toxins that affect man. 
 

  

Physical conditions required for growth  

oxygen 
       

All living organisms use oxidation to transfer energy to compounds that participate in their 

internal biochemical and biophysical processes.  
  According to the biochemical mechanism usedbacterial metabolism can be categorized into 
three types:- 
(1)-Aerobic respiration (or simple respiration) is the metabolic process in which oxygen serves 
as the final electron acceptor of the electron transport chain. Oxygen is reduced to water. This 
respiration is used by all aerobic bacteria. Some oxidation-reduction reactions occurring in this 
respiration result in the formation of the reactive superoxide (O

2

-

), hydroxyl (OH

-

) radicals 

and hydrogen peroxide (H

2

O

2

) all of which are highly toxic.  

     So aerobic organisms or aerobes have developed three enzymes their functions: 
   a) Detoxify these molecules
        

(1)

superoxide dismutase

 converts O

2

-

 radicals to hydrogen peroxide 

                           (2O

2

-

 + 2H

+

              H

2

O

2

 + O

2

 ). 

       

(2)

catalase converts

 H

2

O

2

 to water and O

2

 (2H

2

O

2

                H

2

+ O

2

 ). 

           (3)

peroxidase

 converts (OH

-

to H

2

O + O

2

.  

     Lack of these E

s

(as in strict anaerobes) has the important of defining the atmosphere   

necessary for growth and survival different organisms . 
  b) Provide protection for pathogenic organisms against the reactive O

2

 intermediates produced 

by phagocytic cells as a defence mechanism.  
  
  (2) Anaerobic respiration is the metabolic process in which inorganic compounds serve as 
the final electron acceptors.Depending on spp.,acceptors can be molecules such as nitrate or 
sulfateAnaerobic respiration can be used as an alternative to aerobic respiration in some spp
(facultative
 anaerobic organisms  like Enterobacteriaceae) but is obligatory in other 
spp.(obligate anaerobic organisms like Clostridium). 
 


background image

7

 

 

(3)Fermentation is an alternative process exhibited by some spp. as main mode of energy 
metabolism,by which an organic metabolic is intermediate derived from a fermentable substrate 
serves as the final electron acceptor. The substrates that can be fermented and the final products 
depends on the spp. ,such as sugars
       
In fermentation of glucose →  lactic acidthe intermediate pyruvic acid is the final 
electron acceptor. 
   glucose →  ethanol, acetaldehyde (a derivative of pyruvic acid)is the final  
  electron acceptor. 
  

 

  

Growth atmosphere 

      

The major  practical grouping of bacteria according to their atmospheric requirements 

(table -1-): 
 
(1)Strict or obligate aerobes require O

2

,usually at levels (≈ 20%) to grow and killed in 

absence of it(e.gPseudomonas ,Bacillus ,Nitrobacter ,Sarcina ,      Mycobacterium). 
 
  (2)Strict or obligate anaerobes require the complete absence of O

2

 and they killed in 

presence of O

2

 yield energy by fermentation (e.gClostridiam tetani, Bacteroides) grow well in 

dead tissue and infected wound
 
  (3)Facultative anaerobes grow better in O

2

 but are still able to grow well in itś 

absence.(e.g.Vibrio, Escherichia, Salmonella, Shigella ,ProteusStaphylococcus). 
   
  (4
Aerotolerant anaerobes have a fermentative pattern of metabolism (anaerobicbut can 
tolerate (resistthe presence of O

2

 because they possess superoxide dismutase (e.gClostridum 

perfringens). 
 
  (5)Micro-aerophilic
 organism require a reduced O

2

 level (=5%) (e.g.Campylobacter 

,HelicobacterHemophilas). 
  (6) Capnophilic organisms the metabolic activates of the some organisms (e.gNerisseria  , 
Brucella
are enhanced by presence of extra amount of Co

2

 in atmospheric air,specially for first 

isolation from the body (5-10%Co

2

)provided by oxidation and fermentation reaction. 


background image

8

 

 

 

    
  

Many medically important organisms are facultative anaerobic,because a mixture of aerobic 

and anaerobic microenvironments in the human bodyso strict anaerobes are associated with 
infection of tissues where the blood supply has been interrupted. 
           In broth media, various atmosphere condition can also be obtained: 
  (1)Strict O

2

  grow on the surface

  (2)Micro-aerophiles → just under the surface. 
(3)Strict CO

2

 → in the body of the medium away from the surface. 

        Growth of CO

2

 is improved by the addition of a reducing agent  to medium as cysteine or  

  Thioglycollate . 

 

Growth temperature 
    

The major  practical grouping of bacteria according to growth temperature in table 1 : 

  (1)Mesophiles: the most pathogen that can  grow with in the temperature 20-40c

o

(e.g.  

Pseudomonas 5-43c

o

,Neisseria 30-38c

o

 ). 

  (2)Psychrophile:organisms that can growth outside this range cold loving or at    low 
temperature ˂ 10c

o

 (or -7,0-25c

o

)(e.gFlavobacterium)these mostly soil and water bacteria 

their important lies in their ability to grow and cause spoilage of refrigerated and frozen food or 
pharmaceuticals stored at refrigeration temp(0-8c

o

 ). 

      Psychrophiles contain polyunsaturated fatty acid and Es act in reduced rate temperatures 
they are unable to grow in body temperature, as in leprosy bacillus grow with skin and 
superficial infections. 


background image

9

 

 

(3)Thermophiles: heat loving, can be a source of proteins with ˃ 55c

o

 (e.g. Bacillus 

stearothermophilus ). Remarkable thermotolerant properties such as Thermus aquaticus DNA 
polymerase , the key E. used in the polymerase chain reaction (PCR method) . Organism that 
grow in the colon (warmer than normal body temperature) can grow well up to 44c◦ .  
        These B. have saturated fatty acid to keep fluidity of membrane and it's function, and have 
↑ GΞC content in their DNA to increase the melting point of DNA, to keep stabilizing of DNA. 
So these organisms have specialized properties in their cell wall to tolerates the high 
temperatures .  
      Theromphiles can be divided to : Facultative thermophiles = grow 20-40c◦ and 

Strict thermophiles = grow above 40

0C  .

 

Barophiles

 

Microorganismes isolated from the ocean floor may require

 

enormous 

pressures before they can replicate , and this belong to the Archaea . 

Nutritianal requirements  

Minerals 

 

These are Na , K , mangnesium , calcium , iron , zinc , copper , iodine and 

strontium in traces .

 

Vitamins (As Accessory

     In general ,depends on nutrient requirement microorganisms divided in 

to  simple  and  complex.Vitamins  the  required  amount  differ  widely  in 

various bacteria  (e.g Neisseria gonorrhoeae needs glutathione , 

 Corymebactenum  diphtheria  needs  B-  alanine,  Staphylococcus  aureas 

needs nicotinic acid+thiamin, Haemophillus influenza needs hematin ). 

   All  these  are    as    growth  factors  which  are  organic  compounds  that  B. 

need  and  can't  synthesize  it  ,  includes  :  purines  and  pyrimidinase  for  DNA 

and RNA, amino acids for protein syuthesis. So vitamins as co-enzymes and 

functional group of certain enzymes . 

 

 

 


background image

10

 

 

Humidity (Water) 

     Water  activity  affected  by  the  presence  of  solutes  such  as  ,  salts  or 

sugar dissolved in water  

1-  Halophiles= organism need or grow in high concentration of Nacl . 

2-  Halotolerant= organism grow in absence of Nacl . 

3-  Osmophiles= grow in high sugar concentration . 

4-  Xerophiles= grow in dry environment . 

    4/5 by weight of B. cell consist of water which is necessary for growth,  

so drying in air injurious to many microbes . Different spp. vary in their 

ability to survive when driend under natural conditions 

(e.g.  Neisseria  gonorrhoeae,  Treponema  pallidum  die  quickly,while 

Mycobacterium turberculosis , Staphylococcus aureas survive for weeks 

or  months).Bacterial  spores  survive  drying  (e.g.  Bacillus  anthracis

survive for 60 years when dried on threads. 

      To  preserve  B.  for  long  time  ,  delicate  organism  frozen  in  a  high 

vaccum in a sealed glass  ampoule , stored at dark room temprature ,this 

method called Lyophilization(or freez drying). 

 

Osmotic Pressure 

    Because  of  permeability  of  cytoplasmic  membrane  ,B.      being 

subjected to osmotic pressure and because of the strength of the cell wall , 

B. tolerants changes in osmotic pressure of their environment and grow in 

media that contains salt , sugar and other solutes . 

   For  most  spp.  maximum  concentration  of  Nacl  permiting      growth  5-

20% (0.5% is added to all cultures make the culture isotonic). Halophilic 

organism can grow in high concentration of Nacl up to saturation and this 

will cause spoilage of food preserved by salt . 


background image

11

 

 

    Exposure  of  B.  to  high  concentration  of  salt  2-25%  in  solution  cause 

plasmolysis  →  shrinkage  of  protoplast.Its  retraction  from  the  cell  wall 

because of drawl of water and  its done in G− than G+ .Transfer B.  from 

high  concentration    solution  to  dilution  solution  cause  plasmoptysis  → 

swelling and bursting of the bacteria cell as a result of excessive osmotic 

imbibitions of water.

 

 

 

Mechanical and sonic stress

 

   The cell well of bacteria is rigid, vigorous shaking with glass beeds and exposure to 
ultrasonic vibration cause repture of  itś cell wall.

 

 

Influence of light and other radiation

 

     

Darkness provide a good condition for growth and viability. Direct light exposure shortens 

the survival of bacteria like U.V. (ultraviolate rays, bactericidal), sunlight , mercury vapour 
lamb radiation or ionizing  radiation.

 

 

Bacteria Metabolism

 

      

Bacteria metabolism can be detected by biochemical tests in medical laboratories.

 

     The cytoplasmic membrane of bacteria contains the components of the electron transport 
chains and the proton gradient is generated across it (as they in mitochondria or across the 
inner membrane of it in eukaryotic cell).

 

     Bacteria can perform some energy requiring process at the cell surface as in flagellar 
rotation (motility).

 

      Bacteria metabolism  has important for human as:-

 

(a)-indirect terms:-the resident microflora have important in human health and 
disease.Examples:-

 

(1)-Bacteria in dental plaque produce acid which causes tooth decay.

 

(2) Bacteria in intestines deconjugate bile salts and contribute the entrohepatic circulation.

 

(3)-Role of bacteria in nitrogen excreted into colon in marginal human leading to the 
formation of carcinogens.

 

(b)-Human beings are in directly affected by microbial metabolism.Examples:-

 

(1)-The original development of O

2

 in atmosphere.

 

(2)-The availability of elemental sulphur.

 

(3)-The flow of nitrogen.

 

(4)-The ethanol and other alcohols and acids result from fermentation industry.

 

(5)-The bioremediation= to convert  the deleterious effect of environment pollution.

 

 
 


background image

12

 

 

Adaptive responses in bacteria:- 

 

      Specific sublethal but noxious stimuli (one stimuli) in environment effects on   bacterial 
gene expression leads to an adaptive stress response as heat shock  raising to 45c

o

 or a bove 

for few minutes,this synthesis proteins called heat shock proteins to survive the bacteria in 
heat shock involved initiating autoimmune damage and immune dysfunction.

 

    So many of stimuli used are applied by human immune system to an invading pathogen ,as 
acid stress in stomach and

 

hostile environment of phagolysosomes includes the oxidative and 

Ph stress.

 

     Global regulatory system or networks (more than one stimuli) with the bacteria that are 
responsible for differential gene expression under different stresses or circumstances,as in heat 
work ,cold shock, osmotic stress, nutrient limitation, anaerobic ….etcto synthesizes only 
these proteins appropriate to itś current circumstances ,examples:

 

(1)The virulence factors in bacteria which concerned with itś progress in an infection.

 

 

(2) Mesophile, acidophile, halophile M.O. adapted to these environment.

 
 

Bacteria defence against noxious chemicals:-

 

     In clinical practice these are recognized as biochemical mechanisms of antibiotic 
resistance
 and four basic categories are recognized:

 

(1)-Preventing access;-by low cell envelope permeability or efflux pumps affecting the 
chemical concerned.

 

(2)-Destruction:-by enzymes that modify or degrade the chemical.

 

(3)-Lack of target:-many chemicals that damage bacteria work through specific targets, which 
can be absent or be altered by mutation.

 

(4)-By pass of target:-an a alternate or modified pathway used.

 

 
 

Bacteria vability:-

 

        Is the capacity of a cell to form a colony on an appropriate agar medium (CFU count),this 
has been used in recognizing the cidal (lethal) and static (growth inhibitory) activities of 
antibiotics.

 

Cidal→CFU count decline.

 

Static→CFU counts remain constant.

 

      In suitable environment, the colony counts provide an accurate measure of viability,for 
exception:-

 

(1)-Mycobacterium leprae ,Treponema pallidium,which can not be form colonies on agar 
media , but its viable (uncultivated M.O.).

 

(2)-The phenomenon of bacteria recovery from injury (e.gcold or osmotic shock)in which 
colony  counts can be shown to rise in the absence of cell division.

 

       So ,some M.Othat are cultivable may be to switch to a physiological state in which can 
not induced to form colonies, this called Viable But Non Culturable (VBNC) e.g.

 (1)

in Vibro 

cholera, which demonstrated by immunological properties not by the cultural properties.

(2)

in 

tuberculosis disease can persist in VBNC that have latent phases.

 


background image

13

 

 

      Transition to VBNC state to result from  an adaptive response might be the result of 
programme of gene expression,as in spore formation,which that stationary and decline phases 
in the growth cycle may represent the initiation of, and transition, to a non culturable phase 
rather than loss of viability.

 

Measurement of vability has been of great value in:-

 

(1)-Action of antibiotics.

 

(2)-Action of disruptive influence as heat.

 

(3)-At different stages during experimental infections in animal models of human infections.

 
 

Bacteria Death:-

 

      The CFU count remains the measurement of bacteria death .In stationary phase, depending 
on the conditions and the M.Oconcerned, the CFU counts

 

being to decline→complete loss vability. or

 

→being to constant→not loss vability but lower CFU count.

 

      The cumulative oxidative damage to cell proteins and other key macromolecules is one 
critical determinant of survival. 

 

        Many bacteria carry genes encoding for programmed cell death. These system were first 
identified as toxin-antitoxin pairs functioning to maintain particular genes in the bacteria cell 
.Removal of all infective agents is necessary to achieve sterility (e.g. antibiotics, 
decontaminating locations and materials , administration of therapy , safe practical 
surgery , preparation of media, sampling material for bacteriological studies).

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dunya Isam
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 218 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل