Bacterial Physiology : ضمن فسلجة البكتريا نتحدث في هذه المحاضرة عن : ضمن فسلجة البكتريا نتحدث في هذه المحاضرة عن Growth requirement of the bacteria:متطلبات النمو البكتيري 1- Nutrition التغذية 2- Growth factors عوامل النمو 3- Oxygen الأوكسجين 4- Carbon dioxide ثنائي اوكسيد الكربون 5- Temperature الحرارة 6- Hydrogen ion concentrationتركيز ايون الهيدروجين Bacterial growth curve منحنى النمو البكتيري

Nutrientsتصنيف البكتريا حسب احتياجها للمواد المغذية Heterotrophic bacteria بكتريا غيرية التغذية Autotrophic bacteria بكتريا ذاتية التغذية تحتاج مواد عضوية معقدة complex organic materials تستخدم مواد لاعضوية بسيطة مثل CO2 كمصدر للكربون وNH4 كمصدر للنتروجين. لاتستطيع ان تكون complex organic compounds تكون مركبات عضوية معقدة من مواد لاعضوية بسيطة simple inorganic materials تشتق طاقتها من تفاعلات الأكسدة Oxidation أو التخمر fermentation للمركبات العضوية مثل ( glucose ) مصدر الطاقة energy هو : الضوء كما في photosynthetic bacteria تفاعلات الأكسدة للمركبات اللاعضوية كما في chemolithotrophic bacteria Most bacteria of medical importance are heterotrophic bacteria

Growth factors عوامل النمو هناك بعض المركبات العضوية تحتاجها البكتريا لنموها لكنها لاتستطيع تصنيعها حتى لو كانت ذاتية التغذية وانما تحصل عليها من بيئتها ، لذا يجب اضافة مثل هذه المواد الى الأوساط الزرعية اذا ما اريد تنمية البكتريا مختبريا Examples: amino acids الاحماض الأمينية الضرورية لصنع البروتين vitamins الفيتامينات الضرورية لعمل الأنزيمات purines and pyrimidines القواعد النتروجينية التي تدخل في تركيب الاحماض النووية .

Oxygen Examples Definition Class Obligate aerobe Obligate anaerobe Mycobacterium tuberculosis Grow only in the presence of O2 Obligate aerobe Clostridium Can not grow in the presence of O2 Obligate anaerobe Most bacteria of medical importance Can grow in the presence or absence of O2 Facultative anaerobe Campylobacter Require low O2 tension Microaerophilic bacteria

نتيجة التفاعلات الأيضية بوجود الأوكسجين يتم انتاج نوعين من المركبات السامة للخلية البكتيرية هما بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) hydrogen peroxide وأيون السوبراوكسايد السالب superoxide anion (O2- ) In obligate aerobes and facultative anaerobes: Catalase and peroxidase enzymes degrade ( تحلل ) hydrogen peroxide. Superoxide dismutase enzyme degrades superoxide anion. BUT In obligate anaerobes: These enzymes are not present ( غير موجودة). So, the presence of oxygen is toxic to these types of bacteria.

Hydrogen ion concentration Carbon dioxide أغلب البكتريا تحتاج تراكيز بسيطة من CO2 كتلك الموجودة في الهواء (0.039%) على الرغم من ذلك هناك بعض انواع البكتريا تحتاج لتراكيز عالية من هذا الغاز تدعى هذه البكتريا capnophilic bacteria مثال جنس Neisseria الممرضة للانسان والحيوان تحتاج 5 -10% CO2 Hydrogen ion concentration يطلق على تركيز ايون الهيدروجين PH ) ) أغلب انواع البكتريا تنمو ضمن معدلات PH = 7.2 – 7.6 تدعى البكتريا المحبة للوسط المتعادل Neutrophilic Bacteria على الرغم من ذلك هناك بكتريا تنمو في PH مختلف قد يكون حامضي او قاعدي Vibrio cholera needs alkaline pH = Basophilic Bacteria --- Lactobacilli needs acidic pH = Acidophilic Bacteria --

Most bacteria of medical importance are mesophilic bacteria Temperature Optimum temperature Range of temperature Bacteria 37 18 - 42 Mesophilic 15 - 20 5 - 30 Psychrophilic 50 - 60 25 - 80 Thermophilic Most bacteria of medical importance are mesophilic bacteria

نمو وتكاثر البكترياGrowth and Bacterial Reproduction يشير النمو البكتيري إلى الزيادة في عدد الخلايا الكلي وليس الزيادة في حجم الخلية او كتلتها , تتكاثر البكتريا بوساطة الانشطار الثنائي binary fission والذي فيه تنشطر الخلية المفردة إلى خليتين متماثلتين وهو أسلوب تكاثر لاجنسي وتعد من اكثر طرق التكاثر شيوعا في البكتريا كما وتتكاثر بعض انواع البكتريا بطريقة التبرعم budding مثل بكتريا وقليل من البكتريا تتكاثر بواسطة تكوين الكونيدات مثل بكتريا Streptomyces spp. ويتكاثر بعض انواع البكتريا الخيطية بواسطة عملية التجزئة fragmentation مثل بكتريا Nocardia spp. وهنالك طريقة للتكاثر الجنسي يطلق عليه الاقتران Conjugation   . اذا لقحت خلية بكتيرية واحدة في وسط غذائي وحضنت بدرجة الحرارة المثالية للنمو فان الخلية تبدي خواص تزايد وانخفاض في اعدادها خلال فترات زمنية محددة، بحيث تمر باربعة اطوار يمكن تمثيلها في منحنى يعرف بمنحنى النمو Growth curve

Normal Growth Curve

مرحلة الأقلمة على الظروف الجديدة بداية التغذية 1- طور الركود lag phase: لاتزداد اعداد الخلايا في هذا الطور ولكن تبقى ثابتة مؤقتا ولكنها ليست في حالة سبات لكونها في حالة من الاستعداد للنمو والعمل على تخليق الاحماض النووية والانزيمات ومرافقات الانزيم ولايحصل زيادة في عدد الخلايا مرحلة الأقلمة على الظروف الجديدة بداية التغذية قد يكون النمو طولي أو ينحدر قليلاً Clinical significance الاهمية السريرية : هذا الطور يمثل فترة حضانة المرض This phase = incubation period of a disease 2- طور النمو اللوغارتمي exponential or logarithmic phase  : يزداد عدد الخلايا زيادة اسية وبمعدل عال تحت الظروف المثالية من درجة الحرارة وتوفر الغذاء وتكون الخلايا البكتيرية في هذا الطور متماثلة من حيث التركيب الكيميائي والفعالية الحيوية . لذا تستخدم في هذا الطور لاجراء الاختبارات المايكروبيولوجية . أنشط الأطوار توفر الغذاء والبكتيريا متأقلمة على الظروف وفي قمة النشاط والتكاثر. المنحنى تصاعدي رأسي بسرعة تزايدية. عدد الخلايا الجديدة أكبر بكثير من عدد الخلايا الميته. Clinical significance الاهمية السريرية : هذا الطور يمثل فترة ظهور اعراض المرض This phase = symptoms and signs of the disease

4- طور الموت Death phase : 3- طور النمو الثابت Stationary phase  : يتباطا معدل تكاثر الخلايا في هذا الطور الاان خط النمو يبقى مستقيما و ليس هناك زيادة في معدل النمو ويرجع ذلك الى قرب نفاذ المادة الغذائية واحتمالية انتاج مواد ايضية سامة نتيجة النمو فيتوقف الانقسام نتيجة لماسبق ويتساوى معدل الموت مع معدل النمو عدد الخلايا الميتة = عدد الخلايا الجديدة. المنحنى يأخذ الشكل الأفقي الثابت لماذا؟؟ The number of living bacteria remains constant تدهور الظروف في المستعمرة نتيجة : قلة الغذاء نتيجة المنافسة انخفاض الأكسجين تراكم الإفرازات تغيير الـ pH 4- طور الموت Death phase : في هذا الطور يكون معدل موت الخلايا اعلى من معدل انتاج خلايا جديدة وهذه الحالة تعود الى نفاذ المواد الغذائية الاساسية من الوسط وتراكم المواد السامة المثبطة للنمو وفي نهاية هذا الطور يقل معدل موت الخلايا وسبب ذلك يعود الى قلة اعداد الخلايا الحية المتبقية مما يجل باقي المواد الغذائية في الوسط يكفي لاستمرار نشاطها وتصبح الخلايا الميتة في الوسط مصدرا غذائيا جديدا للخلايا الحية . المنحنى يتجه الى أسفل. زيادة عدد الخلايا البكتيرية الميته في المستعمرة. زيادة سوء الظروف وقلة الغذاء. Clinical significance الاهمية السريرية : هذا الطور يمثل فترة الشفاء والنقاهة This phase = recovery and convalescence.

زمن الجيل او عمر الجيل Generation time هو الفترة الزمنية اللازمة لخلية البكتيريا لكي تنقسم وتصبح خليتين اوهوالفترة التى تمر بين انقسامين متتاليين وهو يختلف من ميكروب لاخر حيث تتراوح مابين 20-30 دقيقة فى كثير من الأنواع أما الأنواع البطيئة فقد يصل عمر الجيل الى عدة ساعات، وتعد بكتريا E. coli النوع الأقصر في عمر الجيل.علما ان عمر الجيل هذا محسوف في ظل توفر ظروف النمو القياسية، لكن عادة ما تحتاج البكتريا الى وقت أطول لنموها في حال تم تنميتها في ظروف غير مثلى ( انخفاض درجة الحرارة مثلا عند نمو المكروبات في الثلاجة ). يمكن حساب عدد خلايا البكتيريا في أي مرحلة من مراحل النمو المختلفة باستخدام المعادلة التالية: Ns = (Ni)2n Ns= العدد الكلي للخلايا في نقطة ما من المنحنى. Ni = العدد المبدئي للخلايا البكتيرية. n = عدد الأجيال = الوقت الكلي للنمو / الزمن الجيلي 2n = عدد الخلايا في الجيل الواحد.   

مثال تطبيقي: لتقدير عدد خلايا بكتيريا Xanthomonus الموضوعة على طبق بتري يحوى بيئة ملائمة للنمو ، حيث ترك الطبق لمدة 4 ساعات في جو مناسب (حرارة، رطوبة) للتكاثر وكان العدد المبدئي لها هو 10 خلايا والزمن الجيلي لها هو 20 دقيقة للجيل الواحد. فإن عدد الأجيال (n) = الوقت الكلي للنمو / الزمن الجيلي = 240 دقيقة / 20 دقيقة = 12 جيلاً عدد الخلايا الكلي الناتجة من خلية واحدة بعد 4 ساعات = 2n = 212 = 4096 خلية عدد الخلايا الكلي الناتجة من نمو عشر خلايا = X 212 10 = 4096 X 10 = 4096 0 خلية بكتيرية نحصل عليها بعد 4 ساعات

الأهمية التطبيقية لمنحنى النمو يعتبر ذا اهمية قصوى في التعامل مع البكتريا بالذات في مجالات مقاومة البكتريا ،الإصابات المرضية ،فساد الأغذية الميكروبي ...الخ ، بصفة عامة فان الخلايا عندما تكون في الطور النشط فانها تكون اكثر عرضة للتأثر بالعوامل التي تؤدي الى تعطيل عمليات الايض والتكاثر في الخلية ومن الناحية المرضية فان الخلايا في الطور النشط تكون اكثر ضراوة وامراضية مقارنة بتلك في الاطوار المتاخرة ويفضل ان تتم عمليات التصبيغ لدراسة الخلايا في مرحلة الطور النشط. في الصناعات الغذائية غالبا مايتم استخدام طريقة الزراعة المستمرة Continues culture وذلك بقصد الحصول على نمو جرثومي في طور log phase بشكل مستمر ، ويتم ذلك من خلال تزويد الزرع بالمواد الغذائية وسحب الفضلات والمواد الضارة من الوسط باستمرار مع السيطرة المتواصلة على الظروف البيئية للنمو من درجة حرارة وPH وتهوية ... الخ عن طريق استخدام تقنيات واجهزة خاصة بذلك .

GOOD LUCK