Groei
Bacteriën zijn bekend om hun ontzettend snelle groei, hieronder een beschrijving van de bacteriegroei met de volgende onderwerpen:
Het delingsproces
de verschillende groeifasen
lagfase
logfase
stationaire fase
afstervingsfase
Zie verder leeropdrachten,
en daarna voor de rekenopdrachten nog de goede antwoorden.
Het delingsproces
Groei is de toename in hoeveelheid van alle componenten van de bacteriële cel en de toename van het aantal cellen. De groei vindt alleen plaats als de omstandigheden en alle nodige voedingsstoffen aanwezig zijn.
Als dit het geval is wordt de bacteriecel groter.
Wanneer de grootte en de hoeveelheid van elke component in de cel zijn verdubbeld, deelt de cel zich in twee dochtercellen.
 |
De tijd die nodig is voor dit delingsproces, waarbij uit één cel twee cellen worden gevormd, noemt men generatietijd of verdubbelingstijd.
Zie ook video met delende bacteriecellen
Ook leuk de bacteriecel webcam! op cells alive.
Groeifasen
Breng je een bacteriecel in een vloeibare voedingsbodem, waarin de bacterie zich kan vermeerderen, en bepaal je op gezette tijden hoeveel er zijn, dan zie je dat de groei zich voltrekt in vier fasen, te weten:
- Lag-fase: de periode die verloopt voordat de vermeerdering van de bacteriecellen begint;
- logaritmische fase: de periode, waarin de feitelijke groei plaatsvindt, hierbij verdubbelt het aantal zich elke generatietijd
- de stationaire fase: de periode, waarin het aantal levende cellen per ml constant blijft
- afstervingsfase:de periode, waarin het aantal levende cellen per ml afneemt
Wanneer je bacteriecellen in een vers vloeibaar medium brengt, hebben deze een aanpassingsperiode nodig waardoor het aantal cellen niet onmiddellijk in aantal toeneemt.(Lag betekent dralen of treuzelen) Ondertussen gebeurt er wel degelijk wat in elke bacteriecel: de grootte neemt toe doordat er met behulp van de stoffen in het nieuwe medium macromoleculen te gevormd worden, zoals ATP-moleculen voor de energievoorziening, ribosomen voor de eiwitsynthese en enzymen die nodig zijn voor de biochemische processen. De duur van deze lagfase is afhankelijk van:
- De conditie van het organisme , zijn er veel ‘reparatiewerkzaamheden’ nodig? en van
- De verschillen tussen het medium en het milieu voor en na het overenten. Wordt een micro-organismen van een rijk naar een arm medium overgeent dan zal er veel gereedschap moeten worden bijgemaakt.
- De temperatuur
Zie ook de volgende grafiek
Logfase
In aansluiting op de lag-fase komt de zgn. log-fase of exponentiële fase, waarin de bacteriën zich delen. De snelheid van de vermeerdering van bacteriën in de logaritmische fase wordt uiteraard geheel bepaald door de delingstijd (d.i. tijd die verloopt tussen twee delingen van het organisme),ook wel generatietijd of verdubbelingstijd genoemd. Deze is sterk afhankelijk van : De aard van het organisme, elk micro-organisme heeft zijn eigen minimale generatietijd welke hij alleen onder optimale groei-omstandigheden realiseert. De groei-omstandigheden, zuurstof, voedingsstoffen, vochtigheid hoe beter deze zijn voor het betreffende micro-organismen hoe korter de generatietijd.
Als voorbeeld de temperatuur: hoe hoger de temperatuur hoe sneller de groei.
De snelheid van deze deling wordt uitgedrukt in het aantal delingen per uur. Een bacterie, die zich twee of drie maal per uur deelt, heeft een groeisnelheid van respectievelijk twee of drie. Vindt de deling 1 maal per 20 uren plaats, dan is de groeisnelheid 0,05. Bevindt een micro-organismen zich eenmaal in deze fase dan is de toename van de groei exponentieel, d.w.z. dat er telkens in een vaste periode een verdubbeling plaatsvindt: Een cel deelt zich in twee cellen, twee delen zich in vier, vier in acht, acht in zestien, enz. In het begin lijkt deze toename nog niet zo spectaculair, maar na 10 delingen zijn er al 210, dat is meer dan duizend, en na 20 delingen zijn er 220 ,dat zijn er…….(reken dit zelf eens uit 220 = 10?= Kun je nu ook uitrekenen hoeveel er na 24 uur zijn?
Een Chinese legende verduidelijkt wat exponentiële groei betekent. De keizer van China was zo verrukt over het schaakspel, dat hij de uitvinder een beloning aanbood. De uitvinder mocht zelf kiezen wat hij wilde, behalve uiteraard het keizerrijk. De gewiekste uitvinder vroeg om één rijstkorrel op het eerste speelveld van het schaakbord, en twee op het tweede, vier op het derde, enzovoort, totdat het bord met 64 velden vol zou zijn. „Wat een bescheiden man!” dacht de keizer aanvankelijk, en gaf opdracht wat rijst aan te laten rukken. Maar de uitvinder was de keizer te slim af. Als je de exponentiële trend doortrekt –zoals één korrel op het eerste veld, twee op het tweede, vier op het derde, enzovoort– is er voor het laatste veld van het schaakbord de gigantische oppervlakte van twee keer de aarde nodig.
Je kan de toename in een grafiek weergeven, waarbij men de tijd op de horizontale as uitzet en de getelde aantallen bacteriën op de logaritmisch ingedeelde verticale as.
Zie ook de leeropdrachten voor de manier waarop je de toename van het aantal micro-organismen kunt uitrekenen.
Zulke grote aantallen micro-organismen als in bovengenoemd voorbeeld worden in werkelijkheid nooit bereikt. (Gelukkig maar want bij deze aantallen zou na twee dagen een volume van 10.000 maal het volume van onze aardbol bereikt zijn.)
Dit is een situatie, die in de praktijk niet kan ontstaan door een combinatie van de volgende factoren: voor alle bacteriën geldt dat de groeisnelheid evenredig is met de snelheid van de energiestofwisseling, dat wil zeggen met de productiesnelheid van de ATP-moleculen.
Deze productie kan gestoord worden door
- gebrek aan groeifactoren en/of zuurstof
Zuurstof is één de eerste stoffen die snel uitgeput raakt en het einde van de logfase bij aerobe micro-organismen inluidt.
- de vorming van toxische stoffen
Anaëroben worden daarentegen belemmerd in hun groei door de eigen gevormde toxische stoffen.
Uiteindelijk stopt de deling van de bacteriën en is de groei in de stationaire fase aangekomen
Stationaire fase
In de stationaire fase neemt het aantal levende cellen in een populatie niet meer toe. De vorming van nieuwe cellen is gelijk aan de afsterving van cellen. Voor sommige organismen duurt deze fase slechts kort, enkele uren, voor andere kan het enkele dagen duren.
Wanneer in de log-fase veel toxische stoffen werden opgestapeld, begint het afstervingsproces snel. Zodra dit proces begint, gaan de cellen kapot onder invloed van enzymen die normaal in de celwandsynthese bij delende cellen werkzaam zijn en nu in de niet-delende cellen door hun activiteit de celwand verzwakken.
Hiermee treedt de vierde fase in die tot het afsterven van de gehele populatie leidt. De snelheid van dit proces is ook exponentieel, d.w.z. dat er per tijdseenheid steeds meer cellen doodgaan totdat bijna alle cellen dood zijn.
Van de overblijvende levende vegetatieve cellen is verder bekend dat, wanneer ze overgeënt worden in een vers vloeibaar medium, ze een veel langere lag-fase nodig hebben om zich op de deling van de log-fase voor te bereiden dan bacteriën overgeënt vanuit een cultuur die in de log-fase verkeerde. Deze laatste bacteriën hebben geen aanpassing in een lag-fase nodig, mits het medium waarin ze overgeënt worden gelijk is aan het medium waar ze uit gehaald werden en de media dezelfde temperatuur hebben.
Wanneer gesproken wordt van een oude cultuur, dan wordt daarmee bedoeld een cultuur die niet meer in de log-fase verkeert. Want wat de leeftijd van bacteriële cellen betreft, die zich allemaal door deling voortplanten, hierbij kun je moeilijk van oude en jonge cellen spreken. Beide "dochter"cellen zijn even oud en de voorganger is er niet meer.
De afsterving van bacteriecellen wordt verder behandeld in de afsterving van micro-organismen
Niet alle cellen sterven af, de cel kan ook in een rusttoestand overgaan, dankzij de stringent response, de reactie van een bacterie op allerlei stressfactoren zoals gebrek aan aminozuren, vetzuren, ijzergebrek of een hitteschok. Dit gaat gepaard met een sterke toename van het alarmmolecuul (p)ppGpp (guanosine pentaphosphate or tetraphosphate ) welke een groot deel van de genen (translatie) reguleert. Hierdoor switcht de cel van groei en deling naar rust om te overleven totdat de voedingssituatie is verbeterd.
De groeifasen op een vaste voedingsbodem
De beschreven groeikenmerken betreffen in hoofdzaak bacterieculturen in vloeibare media. Op een vaste voedingsbodem zijn de omstandigheden anders. Ook de groei van bacteriën, aangepast aan deze omstandigheden, verloopt daarom anders.
Op vaste voedingsbodems geënte bacteriën hebben vòòr het proces van de deling begint een lag-fase nodig. Daarna begint de log-fase met de deling (en dus de exponentiële groei). Doordat de dochtercellen echter op één plaats gelokaliseerd blijven is de beschikbaarheid van de voedingsstoffen en zuurstof voor die dochtercellen heel anders is dan in een vloeibaar medium. Hierdoor verloopt het groeiproces na de eerste delingen niet gelijk aan het groeiproces in een vloeibaar medium. In het centrum van een kolonie ontstaat zuurstofgebrek, de beschikbaarheid van nutriënten daalt daar ook snel, er is een ophoping van toxische stofwisselingsproducten zoals zuren welke. het celdelingsproces remmen, zodat de groei in een kolonie hoofdzakelijk plaatsvindt aan de rand. In één kolonie verkeren dus cellen in de log-fase aan de rand tegelijk met andere cellen in de stationaire en afstervingsfase in het centrum van de kolonie.
Het bewaren van reinculturen
Om een cultuur te bewaren en in leven te houden zijn er verschillende methoden mogelijk.
Een reincultuur kan op een schuine agar bewaard worden. Je ent de stam en incubeert de agar tot er er groei te zien is. De agar wordt goed afgesloten om uitdrogen te voorkomen en in de koelkast bewaard. Sommige micro-organismen kunnen zo een week, andere weken tot maanden in leven worden gehouden. Af en toe worden ze overgeënt op een nieuwe agar. In sommige gevallen, wanneer vaste agar niet voldoet, wordt de stam in vloeibaar medium bewaard.
Om micro-organismen langer te bewaren kan je ze ook invriezen of vriesdrogen, zodat de biochemische activiteiten worden stilgelegd.
Invriezen kan gebeuren in het medium zelf maar vaak wordt een beschermend middel toegevoegd zoals glycerol of saccharose. Buizen worden meestal snel ingevroren met behulp van aceton-droogijs of vloeibare stikstof. Micro-organismen met kwetsbare celwanden worden bij voorkeur langzaam ingevroren. De culturen kunnen bij -20 °C, maar beter nog bij -70°C bewaard worden.
Vriesdrogen is het onttrekken van water aan een cultuur onder vacuüm, nadat de cultuur eerst bij - 70°C werd ingevroren. Wanneer de cultuur gedroogd is, wordt het buisje onder vacuüm afgesloten. Het kan bij kamertemperatuur worden bewaard. Het is op deze manier mogelijk een verzameling van stammen aan te leggen die gebruikt worden voor bijvoorbeeld kwaliteitscontrole.
Hier onder wat opdrachten waarmee je bovenstaande stof kunt leren of na kunt gaan of je nog weet wat je gelezen hebt.
LEEROPDRACHTEN OVER HET ONDERWERP GROEI
Wat is de generatietijd van een micro-organisme?
Welke omstandigheden hebben allemaal invloed op de generatietijd?
Noem er zo veel mogelijk, denk hierbij aan de reader Micro-organismen en milieu..
Teken diplokokken, streptokokken, tetrakokken, sarcinae en stafylokokken en laat zien hoe deze tijdens het delingsproces kunnen ontstaan
Opgaven bij groeifasen
Welke fasen zijn er in de groei van een cultuur te onderscheiden als men een bacterie ent in een vloeibaar medium?
Geef deze vier fasen aan in een grafiek.
Opgaven bij het de lagfase
Welke voorbereidingen treft een cel voordat deze zich kan delen?
Leg uit welke omstandigheden de lengte van de lagfase beïnvloeden.
Opgaven bij het de logfase
Opgave 1.
Zet de toename van het aantal micro-organismen op grafiekpapier uit: Ga hierbij uit van één micro-organismen aan het begin welke een delingstijd heeft van 20 minuten. Er is geen lagfase. Begin bij tijdstip 0 en zet de eerste 10 delingen uit dus eindig bij 200 minuten op grafiekpapier. Hoe loopt de grafiek die je getekend hebt? Hoeveel micro-organismen zijn er na 200 minuten ?
Oefening 1.b.
Zet de toename van bovenstaand micro-organismen nog eens uit op hetzelfde grafiekpapier, maar zet nu 10log aantal micro-organismen uit tegen de tijd. Hoe ziet deze grafiek eruit?
Klik hier voor antwoorden 1
Oefening 1c.
Waarom zet men de groei van micro-organismen bij voorkeur (half)logaritmisch uit ?
Opgave 2
a.Vul onderstaande tabel aan:
| TIJD | Aantal | 2 log aantal | 10 log aantal | aantal | aantal delingen = n |
| Minuten | |||||
| 0 | 1=20 | 0 | 0 | ||
| 20 | 2=21 | 1 | 0,301 | 1 | |
| 40 | 4=22 | 2 | 0,602 | 2 | |
| 60 | |||||
| 80 | |||||
| 100 | |||||
| 120 | |||||
| 140 | |||||
| 160 | |||||
| 180 | |||||
| 200 | |||||
| 400 | |||||
| 800 | |||||
| 1200 | |||||
| 1440 | |||||
| |
|||||
Klik hier voor antwoord 2
b.Hoeveel micro-organismen zijn er na 24 uur?
c.Hoeveel micro-organismen zijn er uitgaande van 3 micro-organismen aan het begin na 24 uur?
Uit vorige opgave wordt duidelijk dat het aantal micro-organismen op een bepaald tijdstip afhangt van:
- Het aantal micro-organismen aan het begin
- De delingstijd
Met deze gegevens is het dus mogelijk het aantal micro-organismen per ml te voorspellen.
Hierbij is een grafiek niet nodig, het kan ook met een formule.
Nt = N0 x 2n
Nt = het aantal micro-organismen op tijdstip t
N0 = het aantal micro-organismen op tijdstip 0
n = het aantal delingen dat plaatsvindt in de tijd t
Het rekent vaak gemakkelijker om de logaritme van de aantallen te nemen. De formule wordt dan:
Log Nt = Log N0 + nlog2
Bij onderstaande opgaven mag je 0,301 (log 2) afronden op 0,300
Opgave 3
Ga eens na of je de vragen uit opgave 1 ook met de formule kunt beantwoorden.
Klik hier voor het antwoord
Opgave 4
Bereken met de formule hoeveel micro-organismen er aanwezig zijn na 24 uur bij een aanvangsbesmetting van 10 micro-organismen per ml?
De generatietijd = 20 minuten
Klik hier voor het antwoord
Opgave 5
Op een bepaald moment bevat een bouilloncultuur 103 micro-organismen per ml, 10 uur later zijn er 109 micro-organismen per ml.
Wat is de generatietijd van het micro-organisme?
En wat de delingssnelheid?
Wanneer zijn er 1012 micro-organismen per ml?
Zet de groei uit in een grafiek en zoek ook op deze manier ook het antwoord op de vorige vraag.
Klik hier voor de antwoorden
Om 6 uur s’avonds zijn er 103 micro-organismen per ml
Om 7 uur s’avonds zijn er 104 per ml.
Wanneer zijn er 1015 micro-organismen per ml?
Wanneer zijn er 2 x 1015 micro-organismen per ml?
Klik hier voor de antwoorden.
Opgave 7
Gehakt wordt gekocht bij de slager, gekoeld vervoerd en thuis direct in de koelkast gezet. Dit alles bij 4°C.
Vervolgens wordt het 3 dagen bewaard. De generatietijd van de aanwezige micro-organismen is 9 uur bij 4°C.
Bij aankoop zaten er 106 micro-organismen per gram in het gehakt. De bederfgrens is 109 per gram.
Hoeveel micro-organismen zijn er na drie dagen? Kan men het gehakt na drie dagen nog gebruiken of is de bederfgrens al gepasseerd?
Klik hier voor de antwoorden
Opgave 8
Men heeft een fles bouillon gemaakt maar nog niet gesteriliseerd. Er zitten 101 micro-organismen per ml in. Men laat de fles een aantal uren op tafel staan ( te druk, lunchpauze etc.)
Voor sterilisatie mogen er maximaal 105 micro-organismen aanwezig zijn.
Hoelang mag men deze fles maximaal op tafel laten staan (laten wachten op de sterilisatie) als de generatietijd van het micro-organisme 40 minuten is?
Klik hier voor het antwoord.
Opgave 9
In een monster zit 1 (100) Salmonellacel, het monster gaat de ophoping in, in een flesje van 100ml. Wil men daarna op het selectieve medium de Salmonella kunnen herkennen dan moeten er minstens 104 cellen per ml aan het einde van de ophoping in de vloeistof aanwezig zijn. De lagfase is 3 uur, de generatietijd 40 minuten. Hoelang moet men minimaal ophopen?
Klik hier voor het antwoord.
Oefeningen bij de stationaire fase
Door welke oorzaken belandt een cultuur van de logfase in de stationaire fase
Oefeningen bij groeifasen op een vaste voedingsboden
Noem en leg uit in welke fase de micro-organismen in het centrum van een kolonie zich bevinden.
Noem en leg uit in welke fase de micro-organismen aan de rand van een kolonie zich bevinden.
Oefeningen bij het bewaren van reinculturen
Welke drie methoden zijn er om een cultuur aan te houden?
Beschrijf de uitvoering ervan.
Antwoorden bij de vragen 1 t.e.m 9 logfase
| TIJD | Aantal | 2log aantal | 10log aantal | aantal | aantal delingen = n |
| Minuten | |||||
| 0 | 1=20 | 0 | 0 | ||
| 20 | 2=21 | 1 | 0,301 | 1 | |
| 40 | 4=22 | 2 | 0,602 | 2 | |
| 60 | 8 | 3 | 0.903 | 3 | |
| 80 | 16 | 4 | 1,204 | 4 | |
| 100 | 32 | 5 | 1,505 | 5 | |
| 120 | 64 | 6 | 1,806 | 6 | |
| 140 | 128 | 7 | 2,107 | 102,107ca 100 | 7 |
| 160 | 256 | 8 | 2,408 | 8 | |
| 180 | 512 | 9 | 2,709 | 9 | |
| 200 | 1024 | 10 | 3.010 | 103,010ca 1000 | 10 |
| 400 | 220 | 20 | 20x0,301=6,020 | 106,02 | 20 |
| 800 | 240 | 40 | 40x0,301=12,030 | 1012,03 | 40 |
| 1200 | 260 | 60 | 60x0,301=18,060 | 1018,06 | 60 |
| 1440 | 272 | 72 | 72x0,301=21,672 | 72 | |
| Na 24 uur zijn er 1021,067 bacteriecellen Als je met drie cellen begint zijn er 3 x 1021,067 bacteriecellen |
|||||
Opgave 3:
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log Nt = log1 + nlog2
Log Nt = 0 + 10 x 0,301
Log Nt = 3,01
Nt = 103,01= 1024
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log Nt = log10 + nlog2
Log Nt = 1 + 72 x 0,301
Log Nt = 22,7
Nt = 1022,7= meer dan 10.000.000.000.000.000.000.000
Opgave 5:
log Nt = Log N0 + nlog2
Log 109 = log103 + n0,3
9 = 3 + 0,3n
6 = 0,3n
n = 20
20 delingen in 10 uren
1 deling in een half uur = 30 minuten,
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log 104 = log103 + n0,3
4 = 3 + n.0,3
0,3.n = 1
n = 3,33
3,33 delingen in 1 uur
1 deling in 0,3 uur = 18 minuten
Wanneer zijn er 1015 micro-organismen per ml?
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log 1015 = log103 + n0,3
12 = 0,3.n
n=40
Er zijn 40 delingen nodig om van 103 naar 1015 micro-organismen te komen.
Dat duurt 40 x 18 minuten = 12 uren
Na 18 minuten weer een verdubbeling = 2 x 1015 per ml
Opgave 7
Log Nt = Log N0 + nlog2
3 dagen = 72 uren = 8 delingen
Log Nt = Log N0 + nlog2
LogNt = log106 + 8x0,3
LogNt = 6 + 2,4
Nt = 108,4 = minder dan 109 : nog (net) niet bedorven!
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log 105 = log101 + n0,3
4 = 0,3.n
n = 13,33 delingen
dat duurt 13,33 x 40 minuten = 8,88 uren
Opgave 9
Log Nt = Log N0 + nlog2
Log 104 = log10-2 + n0,3
6 = 0,3xn
n = 20
dus voor groei 20 x 40 minuten nodig 800 minuten
daarbij de lagfasetijd nog optellen = 180 minuten.
In totaal 980 minuten.