Биологический каталог




Методы общей бактериологии. Том 1

Автор Ф.Герхардт

Поэтому получаемые при измерении средние величины отражают скорее рост всей популяции, чем индивидуальных клеток. Хотя все члены каждой популяции могут быть генетически идентичными, нередко они различаются по таким параметрам, как время удвоения клеток, их возраст, состав, метаболические характеристики и размер. Размах этих колебаний зависит от среды; его можно свести к минимуму путем тщательного подбора условий культивирования. Большинство описываемых здесь систем культивирования построено именно так, чтобы максимально уменьшить гетерогенностць популяции чистой культуры.

В таких системах рост популяции бактерий описывается простым соотношением

4г=н^ (10Л)

где dx —прирост биомассы за интервал времени d^, х — концентрация биомассы и ц, — удельная скорость роста, представляющая собой скорость роста в пересчете на единицу количества биомассы и имеющая размерность обратного времени (lit).

Если величина и. постоянная, то, проинтегрировав уравнение (10.1), можно видеть, что величина х увеличивается со временем:

\n^ = \it, (10.2)

где In — натуральный логарифм (логарифм с основанием е = 2,303), а х0 — концентрация биомассы при /=0.

После преобразования уравнения (10.2) получаем выражение для конечной концентрации биомассы:

x=xtfP*. (10.3)

Рост бактерий, подчиняющийся этому соотношению, называют логарифмическим или экспоненциальным.

Соотношение между временем удвоения биомассы (to) и удельной скоростью роста можно рассчитать, допустив, что в уравнении (10.2) х = 2х§ и t — ta- Отсюда

tt=™-=ML. (ю.4)

а и. и.

Уравнения (10.1) — (10.4) описывают рост бактерий в простых системах, где факторы, влияющие на него, постоянны. Но эти уравнения нельзя использовать в случае отклонения от постоянных (равновесных) условий роста. Рассматриваемые ниже методы непрерывного

(проточного) культивирования теоретически предназначены для поддержания равновесных условий роста бактерий бесконечно долго, тогда как при периодическом культивировании в процессе роста культуры происходят значительные изменения условий среды. Для периодического культивирования уравнения (10.1) — (Ю.4) применимы без пересчета величины р, только в той части кривой роста, где изменения условий не влияют на рост популяции, т. е. во время экспоненциальной фазы роста.

10.1. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Периодической называют систему, в которой после инокуляции клетками среды соответствующего состава не происходит ни добавления, ни удаления каких-либо компонентов, кроме газовой фазы (закрытая система). Отсюда следует, что периодическая система может поддерживать размножение клеток только в течение ограниченного времени, на протяжении которого меняется состав исходной среды и окружающие условия.

Типичная кривая роста

На рис. 10.1 представлена типичная кривая роста простой гомогенной периодической культуры бактерий. Рост проходит через лаг-фазу, в течение которой число клеток не увеличивается. Затем начинается фаза роста, которая обычно характеризуется экспоненциальным увеличением количества клеток и подчиняется уравнениям (10.1) — (10.4). В конечном счете изменения химического и физического состава среды приводят к переходу культуры в стационарную фазу, в которой увеличения количества клеток не происходит, но клетки еще нуждаются в источниках энергии для поддержания своей жизнедеятельности. Поскольку в периодической культуре питательные вещества ограниченны, наступает фаза отмирания (автолиза), которая часто характеризуется экспоненциальным уменьшением количества жизнеспособных клеток.

Лаг-фазу можно вызвать путем быстрого изменения состава среды культивирования. В свежей среде длительность лаг-фазы зависит от количества и возраста

Стационарная фаза

Рис. ЮЛ. Идеализированная нормальная кривая роста популяции бактерий в периодической системе культивирования.

посевного материала, а также от изменений состава и концентрации питательных компонентов при внесении инокулята. Внесение небольшого инокулята в большой объем свежей среды может привести к диффузии из клеток витаминов, кофакторов и ионов, которые необходимы для поддержания активности многих внутриклеточных ферментов. Если клетки инокулируют из богатой среды в минимальную, то продолжительность лаг-фазы очень сильно зависит от объема инокулята, поскольку он содержит микроэлементы, попадающие при инокуляции в ростовую среду.

Длительность лаг-фазы зависит и от возраста инокулята. Это связано с тем, что в клетках накапливаются токсичные вещества, но в них недостаточно питательных веществ, необходимых для первоначального роста. Таким образом, наблюдается как положительный, так и отрицательный эффект возраста инокулята на продолжительность лаг-фазы в свежей среде. Как правило, при переносе клеток из бедной среды в богатую с увеличением возраста инокулята лаг-фаза удлиняется. На кривой зависимости продолжительности лаг-фазы от возраста инокулята при пересеве культуры с богатой среды на более бедную можно обнаружить определенный «минимальный» участок, отражающий обмен между питательными веществами и внутриклеточными токсичными соединениями.

Наконец, изменения состава питательных компонентов, а также их концентраций при переносе инокулята на свежую среду могут действовать как триггер при регуляции активности ферментов и морфологической диф-ференцировке клеток, например при прорастании спор. Если клетки переносят с бедной среды на богатую, то питательные компоненты и время расходуются на повышение активности ферментов, необходимых для осуществления метаболизма в целом. Если же клетки переносят с богатой среды на среду с более низким уровнем питательных веществ, то они способны немедленно, хотя и с низкой скоростью, вступить в экспоненциальную фазу роста.

Возможность постоянного экспоненциального роста в периодической культуре, хотя и в течение ограниченного времени, свидетельствует о том, что его скорость фактически не зависит от изменений концентрации субстратов в довольно широких пределах. В этом случае можно говорить о сбалансированном росте культуры (см. выше), который описывается только величиной ц.. Со временем рост культуры начинает отклоняться от экспоненциального, и его уже нельзя описывать только с помощью одной величины ц,, даже если можно рассчитать эту величину для случая лимитирования субстратом [уравнение (10.5)]. Моно [44] следующим образом описал соотношение между концентрацией субстрата и ростом бактерий в простой системе, находящейся в экспоненциальной фазе:

"--йЙт; (1а5)

где ц, — удельная скорость роста, \imax — максимальное значение р,, полученное при S^>Ks, Ks— константа насыщения, эквивалентная константе Михаэлиса — Ментен, а 5 — концентрация субстрата во время экспоненциальной фазы роста.

Для описания зависимости роста культур от концентрации субстрата существует несколько альтернативных моделей [44]. Уравнение (10.5) можно использовать для описания роста при лимитировании субстратом только в экспоненциальной фазе довольно простых бак-териальных систем. Когда рост культуры замедляется в результате лимитирования субстратом, условия, которые в ней устанавливаются (концентрация биомассы и субстратов), резко отличаются от условий, существовавших во время экспоненциальной фазы. В этом случае для описания реакции культуры на уменьшение концентрации субстрата можно успешно использовать уравнение (10.1) наряду с уравнениями (10.5) и (10.6). Совместное решение уравнений (10.1), (10.5) и (10.6) приводит к обобщенной модели периодического роста, которая лучше других позволяет оценить процессы, происходящие в очень простых системах [44].

В периодической культуре максимальную биомассу определяют из экспериментальных данных, исходя из отношения прироста массы клеток к соответствующему снижению концентрации субстрата:

_fr — *o) ПО 6)

(S0 — 5) ' 1 и ;

где х и S — соответственно концентрации клеток и субстрата в момент времени t, хо и So— концентрации клеток и субстрата в более раннее время to, а У — коэффициент общего выхода (экономический коэффициент). Уравнение (10.6) точно описывает соотношение между концентрациями клеток и субстрата во время экспоненциальной фазы роста. Если экспоненциальный рост продолжается с постоянной скоростью вплоть до достижения стационарной фазы, а субстрат полностью исчерпывается во время экспоненциального роста, то с помощью уравнения (10.6) можно рассчитать максимальное число клеток или их концентрацию. Этот расчет верен при условии, что экономический коэффициент остается на постоянном уровне в течение всего цикла роста и потреблением субстрата в течение лаг-фазы можно пренебречь. На самом деле экономический коэффициент остается постоянным лишь при условии постоянного экспоненциального роста с одной удельной скоростью. Отсюда следует, что предсказанная с помощью уравнения (10.6) величина максимальной биомассы явно завышена. Более подробно понятие экономического коэффициента обсуждается ниже в этой же главе (разд. 10.5). Чтобы предсказать время достижения максимальной плотности биомассы в периодической культуре, необходимо сделать ряд упрощающих допущений [2, 4].

Атипичные кривые роста

Представленная на рис. 10.1 кривая роста идеализирована и отвечает условиям постоянной морфологии клеток при их асинхронном бинарном делении. При этом одновременно с ростом биомассы происходит увеличение числа клеток и постоянная утилизация субстратов. Вариации в кривой роста — обычное явление. Морфологические изменения культуры, такие, как увеличение мутности, коэффициента преломления, размера отдельных клеток или их агрегации, могут приводить к кажущимся изменениям кривой роста, если скорость роста определять с помощью оптических измерений. Так, бактериальные клетки из культур в стационарной фазе часто более прозрачны, чем клетки из культур в экспоненциальной фазе. В результате кривая роста, построенная в виде зависимости логарифма оптической плотности от времени, отражает кажущееся снижение концентрации клеток в стационарной фазе по сравнению с концентрацией, достигнутой к концу экспоненциальной фазы. В этом случае измененная (абер

страница 69
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Методы общей бактериологии. Том 1" (4.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.05.2017)