مواضيع المحاضرة: Growth curve and control Microbial growth
background image

1

 

 

Course:  Microbial Physiology  

Lecturer: Dr. Weam Saad 

 Lecture: Prokaryotes Growth  

 

Prokaryotes

 Growth 

Growth is an increase in cell mass by forming new protoplasm from nutrients 
in the environment. In bacteria, growth involves increase in cell  components, 
number  of  ribosomes,  duplication  of  the  bacterial  chromosome,  synthesis  of 
new  cell  wall  and  plasma  membrane,  formation  of  the  two  chromosomes, 
septum  formation,  and  cell  division.  This  asexual  process  of  reproduction  is 
called binary fission. 

Growth  can  be  measured  by:  changes  in  cell  mass  and  changes  in  cell 
numbers.
 

Methods for Measurement of Cell Mass 

Methods  for  measurement  of  the  cell  mass  involve  both  direct  and  indirect 
techniques. 

1. Direct physical measurement of dry weight, wet weight, or volume of cells 
after centrifugation. 

2. Direct chemical measurement of some chemical component of the cells such 
as total N, total protein, or total DNA content. 

3.  Indirect  measurement  of  chemical  activity  such  as  rate  of  O

or

 

CO

2

 production or consumption, production or consumption, etc. 

4. Turbidity measurements or optical density using instruments of a suspension 
of bacterial cells. The method is simple, but the sensitivity is limited to about 
107 cells per ml for most bacteria. 

 

 


background image

2

 

 

Methods for Measurement of Cell Numbers 

1.  Direct  microscopic  counts  are  possible  using  special  slides  known  as 

counting chambers. Dead cells cannot be distinguished from living ones.   

2. Electronic counting chambers count numbers and size of cells.  

3.  Indirect  viable  cell  counts,  also  called  plate  counts,  involve  plating 
(spreading) a sample of a culture on a nutrient agar surface. The sample or cell 
suspension can be diluted in a nontoxic diluent (e.g. saline) before plating.  Each 
viable  (still  alive)  unit  grows  and  forms  a  colony.  Each  colony  that  can  be 
counted is called a colony forming unit (cfu) and the number of cfu's is the viable 
number of bacteria in the sample. 

Advantages of the technique is a single cell can be detected. The Disadvantages 
are: 

 (1) Only living cells develop colonies that are counted 

 (2) Multi-cells form a single colony. 

 (3) Colonies will form only when cultural conditions are suitable or good for 
growth. 

 

The Bacterial Growth Curve 

In the laboratory, under good conditions, a growing bacterial population doubles 
by geometrically: 1, 2, 4, 8, etc. or 20, 21, 22, 23.........2n (n = the number of 
generations). This is called exponential growth.   

The  typical  bacterial  growth  curve  of  batch  cultures  (growth  cycle  of 
bacteria) 

1.   Lag Phase. Immediately after inoculation of the bacterial cells into fresh 

medium, there is no cell division occurring, the cells grow in volume and 
mass,  synthesizing  enzymes,  proteins,  RNA,  etc.,  and  increasing  in 


background image

3

 

 

metabolic activity. The length of the lag phase depends on many factors 
including: 

  the size of the inoculum 

   time to recover from physiacal damage or shock in the transfer 

   time  required  for  synthesis  of  essential  coenzymes  or  division 

factors 

   time  required  for  synthesis  of  new  (inducible)  enzymes  that  are 

necessary to metabolize the new substrates in the medium. 

2.  Exponential  (log)  Phase.  The  exponential  phase  of  growth  is  a  balanced 
growth  and  all  the  cells  are  dividing  by  binary  fission,  and  are  growing 
geometrically.  The  cells  divide  at  a  constant rate  and  consume  of  the  growth 
medium by help of good standard conditions of incubation. 

 The rate of exponential growth of a bacterial culture is the generation time, also 
the doubling time of the bacterial population. Generation time (G) is defined as 
the  time  (t)  per  generation  (n  =  number  of  generations).  Hence,  G=t/n  is  the 
equation from which calculations of generation time (below) derive. 

3. Stationary Phase. In closed system such as a test tube or flask the bacterial 
growth is limited by the factors: 

  The  available nutrients finished 

  Accumulation of metabolites wastes or end products  

  No enough biological space 

During  the  stationary  phase  in  batch  cultures,  number  of  cells  are  dying  = 
number of cells are dividing. Bacteria usually produce secondary metabolites, 
such as antibiotics during the stationary phase of the growth cycle, also spore-
forming bacteria will start sporulation process. 

4. Death Phase. Decrease the viable cells geometrically (exponentially). 


background image

4

 

 

 

Growth Rate and Generation Time 

The generation time bacterial growth is the rate during the phase of exponential 
growth,  under  standard  nutritional  conditions  (culture  medium,  temperature, 
pH, etc.). Generation times for bacteria is different from 12 minutes to 24 hours 
or more.  

The generation time for E. coli in the  laboratory is 15-20 minutes, but in the 
intestinal tract, the coliform's generation time is 12-24 hours.  Rhizobium  have 
longer generation times. Many lithotrophs, such as the nitrifying bacteria, also 
have  long  generation  times.  Some  bacteria  that  are  pathogens,  such 
as Mycobacterium tuberculosis and Treponema pallidum, have long generation 
times and it is factor of virulence.  

Generation times for some bacteria under standared conditions of 

growth. 

Bacterium 

Medium 

Generation 

Time 

(minutes) 

Escherichia coli 

Glucose-salts 

17 

Bacillus  megaterium 

Sucrose-salts 

25 

Streptococcus lactis 

Milk 

26 

Streptococcus lactis 

Lactose broth 

48 


background image

5

 

 

Staphylococcus aureus 

Heart infusion broth 

27-30 

Lactobacillus acidophilus  Milk 

66-87 

Rhizobium japonicum 

Mannitol-salts-yeast 
extract 

344-461 

Mycobacterium 
tuberculosis 

Synthetic 

792-932 

Treponema pallidum 

Rabbit testes 

1980 

 

Calculation of Generation Time 

The increase in a bacterial population is by binary fission.  If we start with one 
cell, when it divides, there are 2 cells in the first generation, 4 cells in the second 
generation, 8 cells in the third generation, and so on. The generation time is the 
time required for the cells (or population) to divide. 

G (generation time) = t (time, in minutes or hours)/n (number of generations) 

G = t/n 

G = generation time (time for the cells to divide) 

t = time interval in hours or minutes 

B = number of bacteria at the beginning of a time interval 

b = number of bacteria at the end of the time interval 

n = number of generations (number of times the cell population doubles during 
the time interval) 

b = B x 2n (This equation is an expression of growth by binary fission) 

n is calculated as the following: 

logb = logB + nlog2 


background image

6

 

 

n = logb - logB  
           log2 

n = logb - logB  
           .301 

n = 3.3 logb/B 

G = t/n 

G =            t     
       3.3 log b/B 

Example: What is the generation time of a bacterial population that increased 
from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?  

G =        t                   
       3.3 log b/B 

G =    240 minutes  
         3.3 log 10

7

/10

4

 

G =   240 minutes  
           3.3 x 3 

G = 24 minutes  

 

Continuous Culture of Bacteria 

In batch cultures nutrients are not renewed, exponential growth is limited to a 
few generations. Bacterial cultures can continue in the exponential growth for 
long periods of time using a system of continuous culture. It is occur in a device 
called  a  chemostat  to  keep  a  bacterial  population  in  similar  conditions  to 
bacterial growth in natural environments. 

In  a  chemostat,  the  growth  chamber  is  connected  to  a  reservoir  of  medium 
(sterile tank for storage of media) and fresh medium is continuously supplied 


background image

7

 

 

from the reservoir and  enter into the growth chamber  at  a rate that limits the 
growth of the bacteria. The rate of addition of the fresh medium determines the 
rate of growth because the fresh medium always contains a limiting amount of 
an  essential  nutrient.  Thus,  the  chemostat  avoid  factors  that  start  staitionary 
phase  like  the  accumulation  of  toxic  substances,  and  the  accumulation  of 
bacterial cells. 

           

 

 
 
Control Microbial Growth 
The control of microbial growth is necessary in agriculture, medicine, and food 
science have been made through study of this area of microbiology. It means to 
prevent growth of microorganisms by: 
 (1) killing microorganisms. 
(2) inhibiting the growth of microorganisms. 
 
 Control of growth usually involves the use of physical or chemical agents which 
either kill or prevent the growth of microorganisms. Agents which kill cells are 
called  cidal  agents;  agents  which  inhibit  the  growth  of  cells  (without  killing 
them)  are  static  agents.  Thus  the  term  bactericidal  is  killing  bacteria 
and  bacteriostatic  is  inhibiting  the  growth  of  bacterial  cells.  Example: 
the bactericide kills bacteria, a fungicide kills fungi, and so on. 

Sterilization  is  the complete  destruction  or  killing  all viable  microorganisms 
using heat, radiation or chemicals, or physical removal of cells. 


background image

8

 

 

Methods of Sterilization 

2.  Heat:  most  important  and  widely  used.  Endospores  of  bacteria  are  can 

resist. 

3.  Incineration: burns and destroy microorganisms (more than 500

o

). Used 

for needles, inoculating wires and glassware. 

4.  Boiling: 100

o

 for 30 minutes. Kills everything except some endospores 

(Actually,  for  the  purposes  of  purifying  drinking  water  100o  for  five 
minutes is enough but some Giardia cysts can survive). To kill endospores 
needs very long boiling or intermittent boiling. 

5.  Autoclaving  (steam  under  pressure  or  pressure  cooker):  121

o

  for  15 

minutes. Good for sterilizing for anything, heat-labile substances will be 
denatured or destroyed. 

6. 

Dry heat (hot air oven): 160

o

/2hours or 170

o

/1hour. Used for glassware, 

metal, and objects that do not melt.  

 

7.  Pasteurization (batch method) 63

o

/30 minutes heating (mild heat), kills 

most vegetative bacterial cells including pathogens such as streptococci, 
staphylococci and Mycobacterium tuberculosis and reduce the number 
of microorganisms Usually  used in food and milk products 

8.  Irradiation:  destroys  nucleic  acids.  Ultraviolet  light  is  usually  used 

(commonly  used  to  sterilize  the  surfaces  of  objects),  x-rays  and 
microwaves are used in canned food. 

9.  Filtration: it is the physical removal (exclusion) of all cells in a liquid or 

gas,  especially  important  to  sterilize  solutions  which  are  sensitive  and 
denature by heat (e.g. antibiotics, drugs, amino acids, vitamins, etc.) 

10. Chemical and gas: (formaldehyde, glutaraldehyde, ethylene oxide) toxic 

chemicals kill all forms of life in the gas chamber.  

Control of Microbial Growth by Physical Agents 

1.  Heat.  The  time  required  to  kill  depends  on  the  number  of  organisms, 

species,  pH,  and  temperature.  Low  temperature  (refrigeration  and 
freezing)  used  in  control  because  most  microorganisms  do  not  grow  at 
zero 

o

.  Store  foods  at  low  temperatures  to  slow  rate  of  growth  and  and 

avoid  spoilage  (e.g.  milk).  Drying  (removal  of  H

2

O):  Most 


background image

9

 

 

microorganisms cannot grow at reduced water activity (Aw < 0.90), this 
method  is  used  to  preserve  foods  for  storage  (e.g.  fruits,  grains,  etc.). 
Methods  involve  removal  of  water  from  product  by  heat,  evaporation, 
freeze-drying, and addition of salt or sugar e.g. jams and pickle. 

2.  Irradiation  (microwave,  UV,  x-ray):  destroys  microorganisms  during 

sterilization. 

Control of microbial growth by chemical agents 

Antimicrobial  agents  are  chemicals  that  kill  or  inhibit  the  growth 
microorganisms.  Antimicrobial  agents  include  chemical  preservatives  and 
antiseptics and drugs used in the treatment of infectious diseases. Antimicrobial 
agents  may  be  of  natural  or  synthetic,  and  they  are  static  or  cidal  for 
microorganisms.  
 

Types of antimicrobial agents 

1.  Antiseptics: microbicidal agents  can be applied to the skin and mucous 

membrane, e.g. silver nitrate, iodine solution, alcohols, detergents. 

2.  Disinfectants: Agents that kill microorganisms, but not their spores, not 

safe for living tissues; they are used for tables, floors. Examples: chlorine, 
hypochlorites, chlorine compounds and ammonium compounds. 

3.  Preservatives:  used  to  inhibit  the  growth  of  microorganisms  in  foods, 

nontoxic  for  human.  Examples;  calcium  propionate,  sodium  benzoate, 
formaldehyde, nitrate, sulfur dioxide.  

4.  Chemotherapeutic  agents:  synthetic  antimicrobial  agents  used  in  the 

treatment  of  microbial  or  viral  disease  (infectious  diseases).  Examples: 
sulfonilamides, isoniazid, ethambutol, chloramphenicol.  

5.  Antibiotics: antimicrobial agents produced by microorganisms that kill or 

inhibit other microorganisms,  used to kill or inhibit infectious Bacteria. 
Antibiotics are low  molecular-weight molecules produced as secondary 
metabolic products, mainly by microorganisms that live in the soil during 
the processes of sporulation. Penicillium and Cephalosporium , which the 
beta-lactam  antibiotics.  In  the  Bacteria,  the  Actinomycetes  and 
Streptomyces  species,  produce  many  antibiotics  including  the 


background image

11

 

 

aminoglycosides (e.g. streptomycin), macrolides (e.g. erythromycin), and 
the  tetracyclines.  Endospore-forming  Bacillus  species  produce 
polypeptide antibiotics such as polymyxin and bacitracin.  

Mechanism of action for  Antimicrobial Agents Used in the Treatment of 
Infectious Disease 

The most important thing is the selective toxicity of the antimicrobial agent (kill 
microorganisms and not toxic on human or animal). The  range of bacteria or 
other microorganisms that are affected by a certain antibiotic are is expressed as 
its  spectrum  of  action.  Antibiotics  are  effective  against  prokaryotes  (kill  or 
inhibit) a wide range of Gram-positive and Gram-negative bacteria are called 
broad  spectrum.  If  effective  mainly  against  Gram-positive  or  Gram-negative 
bacteria, they are called narrow spectrum  

1.  Cell  wall  synthesis  inhibitors  Cell  wall  synthesis  inhibitors  inhibit  the 
synthesis of bacterial peptidoglycan e.g. Penicillin and Cephalosporin are  

2. Cell membrane inhibitors they inhibit the function of bacterial membranes. 
E.g.Polymyxin, produced by Bacillus polymyxis.  

3.  Protein  synthesis  inhibitors,  their  action  is  inhibition  of  some  step  in  the 
process  of  translation  in  tRNA  and  70S  ribosomes  by  binding  to  bacterial 
ribosomes  and  preventing  the  initiation  of  protein  synthesis.    e.g. 
tetracyclines,  chloramphenicol,  streptomycin  ,  gentamicin,  erythromycin  and 
streptomycin. 

4. Effects on Nucleic Acids (the synthesis of DNA or RNA or bind to DNA or 
RNA so the messages cannot be read. Only two nucleic acid are used, they have 
selective  activity  against  prokaryotes  nalidixic  acid  and  rifamycins.  Because 
most  these  Nucleic  Acids  drugs  are  not  selective  and  affect  human  cells  and 
bacterial cells. 

5.  Competitive  Inhibitors.  Some  are  bacteriostatic  and  some  are  bactericidal. 
They  are  inhibitors  of  the  bacterial  enzymes  required  for  the  synthesis  of 
important  growth  molecules.  E.g.  Sulfonamides  inhibit  folic  acid  formation 
which is essential for 1-carbon transfer reactions.  


background image

11

 

 

 

Mechanisms of Bacterial resistance to antibiotics 

Acquired resistance bacteria can develop resistance to antibiotics, e.g. bacterial 
population  was  sensitive  to  antibiotics  become  resistant  by  changes  in  the 
bacterial genome by two genetic processes in bacteria: 

 (1) Mutation and selection (called vertical evolution or natural selection), only 
resistant bacteria can grow. 

 (2)  Exchange  of  genes  between  strains  and  species  (called  horizontal 
evolution).  Bacteria  are  able  to  exchange  genes  in  nature  by  three  processes: 
conjugation, transduction and transformation. Conjugation involves cell-to-
cell contact as DNA crosses a sex pilli from donor to recipient. The transduction, 
a virus transfers the genes between bacteria. In transformation, DNA is acquired 
directly  from  the  environment  after  released  from  another  cell.  Genetic 
recombination follow the transfer of DNA from one cell to another leading to 
formation of recombinant DNA. 

The  medical  problem  of  bacterial  drug  resistance  is  that  antibiotic  becomes 
useless  in  the  treatment  of  infectious  disease  caused  by  that  pathogen,  e.g. 
natural  penicillins  have  become  useless  against  Staphylococcus  aureus  and 
replaced by other antibiotics. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 207 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