А.И. Нетрусов, М.А. Егоров - Практикум по микробиологии (1125598), страница 84
Текст из файла (страница 84)
О популяции микроорганизмов, развитие которой подчиняется этим уравнениям, говорят, что она находится в зксиояенциальной фазе рослш. Такой рост обычно долго не поддерживается, дальше начинаются несбалансированный рост, затем стационарная фаза и фаза отмирания.
В некоторых случаях кинетика микробного роста является линейной. В этих условиях скорость прироста компонентов популяции постоянна: ЖЧ й = с(сопзг), (21.9) или, интегрируя, )у=с а (21.10) 286 Для выбранного примера 8 = ' = ', т, е. время удвоения числа клеток в 0,693 0,693 а 2 303' культуре около 20 мин. Рассмотренные уравнения предопределяют линейную зависимость между логарифмом числа клеток (или любым другим измеряемым параметром куль- Линейной функцией времени здесь является число клеток, а не логарифм этого числа.
Зто бывает, если поступление какого-либо компонента среды к клеткам ограничено. 21.2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ Если рост микроорганизмов в культуре ограничен количеством внесенного субстрата, то между начальной концентрацией внесенного в среду лимитирующего субстрата и полученным общим урожаем существует постоянная линейная зависимость (при условии ограничения роста одним параметром).
Поэтому масса клеток, образованная на единицу исполыованного субстрата, представляет собой величину, которую называют экономическим коэ44иииентом (или выходом биомассы) — К Величина Уможет быть вычислена из определения количества использованного субстрата и обшего урожая по уравнению Х Хо »/э = (2!.11) где Х вЂ” масса сухого вешества клеток (г/мл культуры), вступившей в стационарную фазу роста; Хе — масса сухого вещества клеток в 1 мл среды после инокуляции; Ю вЂ” количество исполыованного лимитирующего субстрата. Различают также понятие малярного экономического коэ44ициента, которое определяется как количество биомассы (г), образованное на 1 моль использованного субстрата. Близко к этому понятии> стоит коэ44ициент выхода биомассы в расчете на количество иснолыованной А2'Ф (У» лгл). Этот параметр определяется по формуле МУ, У»!лто = п где и — число молей АТФ, образующихся при расщеплении ! моля энергетического субстрата; М вЂ” молекулярная масса (г); МУ» — экономический коэффициент в молях, когда Уе выражается в граммах образованной сухой биомассы на 1 г использованного энергетического субстрата.
21.3. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СКОРОСТЬ РОСТА КУЛЬТУР Кривые, отражающие зависимость скорости роста от концентрации питательных веществ, представляют собой гиперболы и описываются уравнением 5 р = !»пж (21.12) Кэ -~5 где р. — удельная скорость роста при концентрации лимитирующего субстрата Ю; р„„— скорость роста при насыщающей концентрации субстрата; Кэ — вели- чина, аналогичная Х в уравнении Михаэлиса — Ментен, т. е. та концентрация субстрата, при которой р достигает половины максимального значения. Величина Хз наряду с величинами г'и р — важнейшие параметры, характеризующие рост микрорганизмов в хемостатах и в периодической культуре.
21.4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ общее увеличение биомассы = прирост — отток. Для полной культуры при бесконечно малом промежутке времени бг этот баланс будет выглядеть следующим образом: ! (21.13) ИХ= крХаг — сХаь Поделив это уравнение на Рсй, получим: 121.14) бХИ= 1р - 2)РХ В стационарном состоянии, когда сУХ/бг = О, мы имеем р = 2), т.е. скорость роста равна скорости разбавления. 21.5. КОНЦЕНТРАЦИЯ БИОМАССЫ И ЛИМИТИРУЮЩЕГО РОСТ СУБСТРАТА Баланс для лимитирующего рост субстрата дается уравнением: общее увеличение субстрата = поступление — отток — субстрат, использованный на росьп, Для бесконечно малого промежутка времени бг этот же баланс для полной культуры выражается уравнением р21Х= рб„бг- ~~- ррХбг/у, где 1' — экономический коэффициент. Следовательно, бХ/бг = Вр,, — 5) — рх/К 121.16 ~ В стационарном состоянии бХ/бг = сБ/бг = О, тогда значения сппгионарных концентраций о и Х даются уравнениями (21.15 ~ 288 Объем культуры в хемостате поддерживается на постоянном уровне путем непрерывного отлива части культуры и заполнения освободившегося обьема культиватора свежей средой.
Задача количественной теории хемостата состоит в том, чтобы предсказать значение скорости роста, концентраций биомассы и субстрата в различных условиях. Пусть р — улельная скорость роста; Р— обьем культуры; с" — скорость подачи свежей среды. Значение г/Р = 2) известно как скорость разбавления. Оно характеризует скорость потока среды на единицу объема. Увеличение концентрации биомассы можно рассчитать по уравнению баланса биомассы: Рис. 21.1.
Области росса культур при выращивании в хемостатах и турбидостатах. Объяснение в тексте (р-в)х=о (21.17) (21.18) где знак «-» означает значение в стационарном состоянии. Чтобы получить Х и У, подставим выражение для удельной скорости роста: и =а „Ю/(Хх-ьх), (21.19) Подставив в уравнение (21.19) р = В, получим уравнение для стационарного состояния: (21.20) а из уравнения (21.18) при подстановке р = В получим: Х = У(5„— Я) = У (5„— Кх11/(и — В)).
(21.21) В этом уравнении выражена основная зависимость между концентрацией клеток в стационарном состоянии (Х) н концентрацией лимитирующего субстрата в ферментере (Х). Хемостаты обычно работают в областях кривых по Хи 5 (рис. 21.1), не доходящих до прерывистой линии, турбидостаты — в областях, близких к критическим уровням разбавления, т.е.
когда  — р„ 21.6. УРАВНЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА И РАСЧЕТ СКОРОСТИ ПРОТОКА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ КУЛЬТИВИРОВАНИИ Для перехода от периодического процесса культивирования клеток к непрерывному необходимо построить график зависимости продуктивности периодического процесса по выходу биомассы (или оптической плотности абсолютного прироста биомассы за единицу времени, т.е. дх/с(г от плотности популяции Х(рис. 21.2).
Касательная к кривой роста характеризует скорость роста клеток в экспоненциальной фазе. Тангенс угла наклона этой касательной к оси абсцисс представляет собой величину максимума удельной скорости роста в условиях перио- Рис. 2!.2. Пример графика расчета продукгивносги периодического процесса по выходу биомассы: а — Ь вЂ” лаг-фаза: д — с — зкеионеициальнаа фаза —, млрд/мл Ых ат ' 3 4 5 6 7 х, млрд/мл 1 млрд 100 = мл'ч — 0 2 ч 1. 5,35 млрд 1,8 млрд Гаоз = мл'ч =0,4ч '.
4,5 млрд мл В приведенном графике (рис. 21.2) в расчетах можно вместо е7Х/г// и Х брать |7 (значение оптической плотности) и г/27/Й. 21.7. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА УСЛОВИЙ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Для предсказания изменения концентрации продуктов метаболизма при непрерывном культивировании микроорганизмов существует графоаналитический метод„принцип которого состоит в сопоставлении ~рафиков зависимости накопления биомассы и продукта метаболизма от времени культивирования с кривой продуктивности по выходу биомассы.
По данным периодического культивирования строят график зависимости образования биомассы и накопления продукта от времени культивирования и на этот же график в правой половине наносят кривую зависимости продуктивности культуры по выходу биомассы от ее концентрации, т.е. г/Х/г/Г от Х в тех же единицах. 290 дического культивирования.
Прямые от начала координат, проведенные через точки кривой роста,назьпают рабочилш линиями. Точка пересечения рабочей линии с кривой роста соответствует состоянию динамического равновесия при концентрации клеток, равной величине отрезка, отсекаемого перпендикуляром, опущенным из этой точки на ось абсцисс. Тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс равен скорости разбавления в одном из состояний динамического равновесия. При этом числовые значения при определении тангенса угла наклона рабочей линии к оси абсцисс берутся из числовых значений ЫХ/И (величина отрезка перпендикуляра, опущенного на ось абсцисс из точки пересечения соответствующей рабочей линии с кривой роста) и Х ~величина отрезка, отсекаемого от оси абсцисс этим перпендикуляром), в тех же единицах. Например: Рис.
21.3. Пример графоаналнтнческого расчета параметров непрерывного культивирования клеток в ферментере. Объяснение в тексте 1с, ед./мл Х ед.опт.ты. 1 1 0 1 2 3 4 5 6 3,0 2,0 1,0 —, сд. опт. пл./ч Их ссс дХ 1 1,5 ед.опт.пл./ч 1) — р — — — ' ' ' ' — 05ч'. с/1 Х 3 ед.опт.пл. Таким образом, находим, что если при оптической плотности культуры, равной 3,0, в ферментере включить проток со скоростью 0,5 ч ', то производительность процесса будет максимальна и концентрация искомого продукта в культиваторе сохранится на постоянном уровне — 5 ед./мл. 21.8. НЕКОТОРЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОВЕДЕНИЯ КУЛЬТУР ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА К НЕПРЕРЫВНОМУ При переводе культуры с ограничением роста одним субстратом на непрерывный процесс в момент врелгени С, возможны три исхода (рис.
21.4). Предпо- Рис. 21.4. Трн возможных варианта (1, 2, 3) поведения культуры в ферментере при переходе от периодического процесса выращивания к непрерывному: Хе — начальное число клеток; о, — концентрация субстрата в резервуаре лля стерильной среды; С, — времл переклсочения режима выращивания клеток О с а 0 б Из срафика в левой части рис. 21.3 определяют ту концентрацию биомассы, при которой наблюдается максимальная производительность процесса. Для этого точку максимального наклона кривой трафика накопления продукта Р(1) проецируют на кривую Х(с) накопления биомассы и далее на кривую удельной продуктивности биомассы с/Х/с/с()с). При пересечении перпендикуляра к оси ординат, опущенного из точки В на кривую с/Х/с/с(Х)„находят искомую точку А, которая соответствует состоянию динамического равновесия при непрерывном культивировании, в котором концентрация микроорганизмов Х равна в данном случае 3 ед.
оптической плотности, коуще~гграция продукта равна 5 ед./мл и скорость разбавления: ложим, что вначале добавления среды не происходит и культура растет в течение времени 0-Гь как и в периодической культуре. Если скорость подачи среды окажется болыпсй, чем максимальная скорость роста культуры (ц „), то скорость вымывания клеток окажется вьппе скорости их прироста и концентрация клегок будет падать со временем, а концентрация неиспользованного субстрата будет расти (кривая 1 на рис. 21.4, а, б) и приближаться к концентрации субстрата в резервуаре, из которого посгупает среда (Ю,). Вторая возможность заключается в том, что скорость вымывания будет точно соответствовать скорости роста клеток, и при этом организмы будут расти с их максимальной удельной скоростью роста и ..
При таком исходе в ферментере устанавливается стационарное состояние (квивая 2 на рис. 21.4, а, б), при котором концентрапии биомассы и субстрата остаются постоянными, но это состояние не будет устойчивым, поскольку любое временное изменение условий приведет к изменению концентрации биомассы и субстрата. Третье состояние (квивав 3 на рис. 21.4, а, б) может наступить, если скорость протока станет меньше максимальной скорости роста. Тогда концентрация биомассы начнет непрерывно увеличиваться, при этом концентрация субстрата снижается (кривая 3 на рис. 21.4, а, б), скорость прироста клеток постепенно уменыпается, пока не станет равной скорости вымывания. Дальнейшие изменения концентраций лимитируюшего субстрата и биомассы невозможны без изменения скорости протока. Такое стационарное состояние культуры является саловегулиру)ощимся. Уменьшение концентрации субстрата приводит к установлению концентрации клеток на более низком уровне.
Увеличение концентрации субстрата вызовет повышение концентрации биомассы в ферментере. ЗАДАЧА. ПОЛУЧЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ КУЛЬТУРЫ СВЕТЯЩИХСЯ БАКТЕРИЙ ~вруб~~ у б ~ р д ~ р р тивирования микроорганизмов. Определение акгивности некоторых ферментов в клетках и содержания ЛТФ. Ход выполнения задачи Микроорганизм и его культивирование. Изучение периодического и непрерывного культивирования бактерий проводится с использованием морской светящейся бактерии Р7(лто/Ьслвг1 из коллекции кафедры микробиологии МГУ. Это грамотрицательная факультативно-анаэробная хемоорганотрофная бактерия, клетки которой представляют собой прямые или слегка изогнутые подвижные палочки размером 0,5 х 1,5 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
