Имитационное моделирование динамики взаимодействия микроорганизмов

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования 

«Московский Государственный Университет 

Прикладной  Биотехнологии»

    Кафедра “ Компьютерные технологии и системы” 
 
 
 
 

                                                    Курсовая работа

                                         

ИМИТАЦИОННОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ 

ДИНАМИКИ  ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОПУЛЯЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ 
 
 
 
 

                                        Выполнил: студент 4 курса,3 группы

                                                              факультета АБС

                                                         Лазис Глеб Андреевич

                       Проверил: д.т.н., профессор

                                                       Ивашкин Юрий Алексеевич 
 
 
 
 

Москва 2009 
Микробиология как наука 
 

     Микробиология  — наука о живых организмах, не видимых невооруженным человеческим  глазом, размерами менее 1 мм. Объектами  микробиологии являются прокариотические 

организмы —  бактерии и археи, а также эукариоты  — простейшие, микроскопические водоросли, низшие грибы.

     Место микробиологии в системе биологических наук определяется спецификой ее объектов: во-первых, микробиология—это наука об определенном классе объектов и в этом смысле она аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология; во-вторых, микробиология изучает на своих объектах общие фундаментальные законы развития всего живого и таким образом относится к физиолога – биохимической ветви биологических дисциплин.

  

 Роль микробиологии  определяется значением микроорганизмов в природных процессах и в человеческой деятельности:

   

• микроорганизмы  участвуют в глобальном круговороте элементов, причем ряд стадий был бы невозможен без них, например фиксация молекулярного азота, денитрификация или минерализация сложных органических веществ;
• на деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств (хлебопечение, пивоварение, виноделие, получение молочнокислых продуктов, производство различных индивидуальных химических веществ, антибиотиков, гормонов, ферментов и т.д.);
• микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений;
• многие микроорганизмы являются возбудителями заболеваний человека, животных, растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов;
• микроорганизмы могут служить инструментами и модельными системами для  других дисциплин, например генной инженерии.

Современную микробиологию можно разделить  на несколько самостоятельных разделов: общую, промышленную, техническую, сельскохозяйственную, санитарную, медицинскую, радиационную и космическую.  
Общая микробиология изучает фундаментальные основы биологии микроорганизмов по средам их обитания она разделяется на почвенную, водную, геологическую микробиологию.  
Техническая (промышленная) микробиология, или биотехнология, занимается исследованием микробиологических процессов, применяемых для получения продуктов питания, кормов, липидов и др., а также микробиологическим синтезом антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот и др.  
Сельскохозяйственная микробиология изучает состав почвенной микрофлоры, значение для структуры и плодородия почвы, действие бактериальных препаратов на урожайность растений, а также микроорганизмы, вызывающие болезни растений.  
Санитарная микробиология изучает микрофлору окружающей среды человека с точки зрения ее влияния на его здоровье и разрабатывает микробиологические показатели гигиенического нормирования.

Промышленная  микробиология(часть общей науки биотехнологии) исследует микроорганизмы и процессы, приводящие к образованию полезных веществ или продуктов. 

Медицинская микробиология изучает патогенные и условно-патогенные для человека микроорганизмы, механизмы их болезнетворного действия, общие закономерности развития инфекционных процессов, разрабатывает методы специфической профилактики и лечения инфекционных болезней.  
Существует радиационная микробиология, изучающую влияние ионизирующих излучений на микроорганизмы, и космическую микробиологию, исследующую особенности микрофлоры человека и окружающей среды в космических кораблях и станциях, а также условия выживания и распространения микроорганизмов в космосе. 

Микроорганизмы 
 

Микроорганизмы  — мельчайшие организмы, имеющие  различное строение и разнообразные  биологические свойства. Микроорганизмы могут как иметь клеточную организацию, - к ним относятся грибы, простейшие, бактерии, - так и представлять собой неклеточные формы жизни — вирусы, вироиды и прионы.  
 
Микроорганизмы находятся буквально везде: в почве, воде, воздухе, в организме и на поверхности тела человека и животных, на растениях, различных предметах, в пищевых продуктах. Причем, не только находятся, но и играют важную роль в круговороте веществ в природе.  
Например, благодаря их жизнедеятельности происходят разложение и минерализация животных и растительных остатков. С помощью микроорганизмов почвы осуществляются биологический круговорот углерода, азота, фосфора, фиксация молекулярного азота воздуха, попадающих в почву, процесс ее самоочищения.  
Микроорганизмы, обитающие в воде, участвуют в круговороте серы, железа и других элементов, осуществляют разложение органических веществ животного и растительного происхождения, обеспечивают самоочищение воды в водоемах.  
Впрочем, не все микроорганизмы приносят человеку пользу. Часть микроорганизмов является условно-патогенной или патогенной для человека и животных. Некоторые микроорганизмы вызывают поражение сельскохозяйственной продукции, приводят к обеднению почвы азотом, вызывают загрязнение водоемов, накопление ядовитых веществ (например, микробных токсинов).  
Микроорганизмы отличаются хорошей приспособляемостью к действию факторов внешней среды. Различные микроорганизмы могут расти при температуре от -6° до +50—75°. Рекорд выживаемости при повышенной температуре поставили архебактерии, которые живут при температуре около 300°. Эта температура создается под давлением в горячих источниках на дне океана. Есть микроорганизмы, существующие при повышенном уровне ионизирующего излучения, любом значении рН, при 25% концентрации хлорида натрия, в условиях различного содержания кислорода вплоть до полного его отсутствия.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Взаимоотношения микроорганизмов

друг  с другом.

Типы  взаимодействий между  организмами

Теоретически  взаимодействие популяций двух видов можно выразить в виде следующих комбинаций символов: 00, --, ++, +0, -0 , +-. Выделяют 9 типов наиболее важных взаимодействий между видами (по  Ю. Одуму, 1986):

• нейтрализм(00)- ассоциация двух видов популяций не сказывается ни на одном из них;
• Взаимное конкурентное подавление (--) - обе популяции взаимно подавляют друг друга;
• Конкуренция из-за ресурсов (--) - каждая популяция неблагоприятно воздействует на другую при недостатке пищевых ресурсов;
• Аменсализм (-0) - одна популяция подавляет другую, но сама при этом не испытывает отрицательного влияния;
• Паразитизм (+ - ) -популяция паразита наносит вред популяции хозяина;
• Хищничество (+ -) - одна популяция неблагоприятно воздействует на другую в результате прямого нападения, но зависит от другой;
• Комменсализм (+0) - одна популяция извлекает пользу от объединения с другой, а другой популяции это объединение безразлично;
• Протокооперация (+ +) -обе популяции получают пользу от объединения;

 
 

Мутуализм (+ +) —взаимовыгодные отношения между организмами. Более общим понятием является симбиоз, который представляет собой сосуществование различных биологических видов. Но в отличие от мутуализма, симбиоз может быть и не выгоден одному из партнеров, например, в случае паразитизма. 

Мутуализм может  быть «жёстким» или «мягким». В первом случае сотрудничество жизненно необходимо для обоих партнеров (они связаны отношениями коадаптации), во втором отношения более или менее факультативны (это называется протокооперацией).

В симбиотические отношения могут вступать растения с растениями, растения с животными, животные с животными, растения и животные с микроорганизмами, микроорганизмы с микроорганизмами

Пример факультативного симбиоза — клубеньковые бактерии, которые могут прекрасно существовать и без растения.

Назначение  мутуалистического  симбиоза — защита от внешних воздействий, получение тех или иных питательных компонентов, преимущества в узнавании половых партнеров и в размножении.

Таким образом, в этом случае взаимоотношения основаны на взаимном улучшении обстановки друг для друга. Например в кефирных зернах дрожжи помимо сбраживания сахаров синтезируют еще и комплекс витаминов, необходимый для развития молочнокислых бактерий, сбраживающих  лактозу в лактат.

  
 
 
 
 
 
 
 
 

Рост  и развитие  микроорганизмов

      У одноклеточных форм понятия  «рост» и «развитие» почти равнозначны. Различают сбалансированный рост, когда увеличение всех веществ и структур происходит пропорционально. Если в среде есть нехватка или избыток чего-нибудь, то рост становится несбалансированным, т.е. какие-то продукты метаболизма могут преобладать. Этим приемом пользуются для направленного синтеза необходимых соединений.

     Количественная оценка роста микроорганизмов. Из – за малых размеров микроорганизмов оценка роста происходит не для индивидуального организма, а для популяции. Графическое отражение процесса называется кривой роста.

     Чтобы  правильно оценить рост культуры, необходимы следующие простейшие  параметры:

• концентрация клеток, клеток/мл;
• время генерации – промежуток времени, за который число клеток  удваивается;
• константа скорости деления – число удвоений в час;
• константа скорости роста.

    Количественная оценка роста  микроорганизмов требует определения  числа клеток в конкретный  момент. Все эти методы подразделяют  на прямые и косвенные. Прямые  методы предполагают непосредственный подсчет клеток под микроскопом — в счетных камерах или на фиксированных мазках. При этом подсчитываются и живые и мертвые клетки, к тому же такой подсчет возможен только для достаточно крупных микроорганизмов, не образующих агрегаты. К косвенным методам относятся высевы на твердые питательные среды, осажденные на мембранных фильтрах, определение параметров, пропорционально зависящих от количества клеток(биомасса, высушенная на фильтрах постоянной массы, мутность суспензии, общий азот, белок, поглощение кислорода и выделение углекислоты).    Следует помнить, что нет универсального метода, лишенного недостатков. Любой метод имеет свои ограничения. Например, не все клетки способны дать колонии на твердой среде, нет питательной среды, подходящей для всех без исключения микроорганизмов, и т.д.      

Культивирование Микроорганизмов

Культивирование – выращивание микроорганизмов в искусственных условиях.

   Накопительные и чистые культуры микроорганизмов. Из-за малых размеров микроорганизмов работа в лаборатории проводится не с одной особью, а с популяцией организмов, или культурой. Культура микроорганизмов, состоящая из клеток одного вида, носит название чистой культуры. Если число видов два или больше, то говорят о смешанной культуре. При выделении чистой культуры из природных местообитаний, где микроорганизмы в большинстве случаев растут в виде смешанных популяций, на первом этапе обычно пользуются предложенным С.Н. Виноградским методом получения накопительных культур, в которой преобладают микроорганизмы определенной группы. Накопление желаемых микроорганизмов происходит за счет создания элективных условий культивирования, благоприятных для данной группы. Другие организмы, также присутствующие в пробе, в этих условиях либо не размножаются, либо характеризуются незначительным ростом.   

   Периодическое культивирование. Обычно при росте в жидких средах в закрытых сосудах определенного объема микроорганизмы находятся в закрытой системе. Такое культивирование называют периодическим, при этом популяция проходит разные фазы своей жизни (рис.1.) Каждая фаза характеризуется определенными физиологическими параметрами.

  Лаг - фаза — фаза  «привыкания» клеток к среде, при этом происходит индукция соответствующих ферментов, увеличение количества ДНК и РНК. Луг – фаза удлиняется если использовать старый посевной материал и переносить клетки  в совершенно новую по составу среду того же состава и той же температуры. На средах содержащей смесь субстратов наблюдается диауксия.

   В экспоненциальной (логарифмической) фазе клетки растут и делятся с max скоростью, их рост не ограничен.

   По мере  исчерпания субстратов и накопления  продуктов обмена скорость роста  снижается ( фаза замедления роста) и культура переходит в стационарную фазу, в течение которой процессы деления и отмирания клеток в популяции находятся в динамическом равновесии. Для бактерий эта фаза достигается при концентрации в среднем 10^9 клеток/ мл, для водорослей и простейших 10^6 клеток/мл. Когда исчерпание питательных веществ и накопление продуктов метаболизма преодолеют некие пороговые концентрации, начинается фаза отмирания , которая иногда также имеет логарифмический характер.