11.1 Влияние условий культивирования на скорость роста микроорганизмов.
Независимо от конкретного вида математического описания процесса культивирования микроорганизмов необходимо учитывать, что скорость роста и экономический коэффициент в значительной степени зависят от условий внешней среды.
. рис. 1
|
Рис.7.12 |
|
Влияние температуры на скорость роста микробных популяций с трудом поддается количественному описанию. Известно, что все микроорганизмы условно делят на три группы —психрофилы, мезофилы и термофилы. Условной границей температуры для такой классификации можно считать 25˚ С: психрофилы, как правило, вообще не растут выше этой температуры, а термофилы — ниже нее. Конкретные виды температурной зависимости могут сильно варьировать для различных культур. Так, относимая к психрофилам морская бактерия способна расти в интервале от минус 10 до плюс 45 °С, мезофильный вид Xanthomonas rinicola размножается при 0—40 °С, а термофил Bacillus coagulans имеет область культивирования 25—65 °С. В то же время, особенно среди мезофилов, встречаются штаммы, крайне чувствительные к температуре, вся область размножения которых не превышает 10—15 °С. Acholeplasma blastoclosticum растет лишь в интервале 34—42 °С. Внутри допустимого для любой культуры температурного интервала наблюдается экстремальная зависимость удельной скорости роста и экономического коэффициента от температуры, причем температурный оптимум часто оказывается достаточно узким и не превышает 2—4°С. В этих условиях наблюдаются максимумы удельной скорости роста и экономического коэффициента. Снижение величин μ и Y за пределами оптимума связывают обычно с изменением метаболических процессов и ростом затрат на поддержание. Поскольку такие изменения могут быть различными для разных типов микроорганизмов, как правило, не удается количественно связать величину экономического коэффициента с температурой, приходится ограничиваться конкретными значениями Y, полученными в конкретных опытах.
Влияние температуры на удельную скорость роста культуры графически изображается несимметричной кривой с максимумом (рис. 1). На участке возрастания скорости с температурой часто используют аррениусовскую зависимость : μ =μ0ехр(-Е/RT), где Е — постоянная, аналог энергии активации химических реакций, имеет обычно величину порядка 35—50 кДж/моль; R — универсальная газовая постоянная.
.Влияние кислотности среды на рост и размножение микроорганизмов является общим законом, хотя отдельные культуры в большей или в меньшей степени чувствительны к изменению рН. Для всех микроорганизмов характерно наличие оптимальной области рН, в пределах которой культура растет наиболее интенсивно, изменение активной кислотности тормозит рост. Многие типы микроорганизмов имеют оптимум рН в области 6,5±1,0, т. е. вблизи нейтральной точки рН 7,0. Для дрожжей характерна большая кислотоустойчивость — оптимум рН при 4—6.
Многие культуры способны расти в более кислой среде, чем оптимальная. Так, дрожжи удовлетворительно размножаются при рН около 3, что используется в промышленности для борьбы с посторонней микрофлорой в промышленных ферментаторах. Сдвиг рН в щелочную область угнетает практически все микробные культуры и используется поэтому в целях стерилизации жидких потоков. В отличие от удельной скорости роста величина экономического коэффициента мало меняется с изменением рН, хотя и для этого показателя характерна экстремальная связь с кислотностью культуральной среды. Объяснение роли рН в культивировании микроорганизмов основывается на изложенных выше представлениях о рН-зависимости активности ферментов.
К важнейшим факторам внешней среды следует отнести концентрации растворенных газов —кислорода и диоксида углерода. Известно, что по отношению к первому из них все микроорганизмы делятся на две большие группы — анаэробы и аэробы. При работе с культурами строгих анаэробов попадание кислорода в среду вызывает гибель клеток. Факультативные анаэробы способны переносить невысокие концентрации растворенного кислорода, однако процесс их роста и размножения угнетается кислородом и протекает тем лучше, чем строже соблюдается анаэробный режим.
Аэробные микроорганизмы требуют для роста определенной концентрации растворенного кислорода, что достигается обычно принудительной аэрацией среды. При достаточной степени аэрации лимитирующим субстратом становится, как правило, источник углерода. Однако малые концентрации растворенного кислорода приводят к тому, что именно он становится лимитирующим рост компонентом питательной среды. Это может произойти как вследствие неудовлетворительных условий массопереноса, так и в результате флокуляции клеток, т. е. образования агрегатов, или их капсулирования, например путем выделения внеклеточных полисахаридов. В последнем случае рост может тормозиться не только диффузией кислорода к клетке, но и диффузионным переносом остальных компонентов культуральной среды.
Аэробные микроорганизмы способны расти лишь при достаточно высоких концентрациях кислорода, тем не менее и для аэробных культур слишком интенсивная аэрация, как правило, нежелательна. Экспериментами неоднократно подтверждено, что высокие концентрации растворенного кислорода тормозят рост практически всех культур, их размножение и выделение продуктов метаболизма.
Менее изучено влияние СО2 на процесс культивирования клеток и культур тканей. Имеются сообщения о том, что слишком низкие концентрации растворенного СО2 не способствуют росту аэробных микроорганизмов, т. е. диоксид углерода как продукт дыхания должен в определенных количествах присутствовать в среде. В то же время высокие концентрации С02 в среде тормозят развитие клеток и приводят к снижению удельной скорости роста и экономического коэффициента. Целесообразны небольшие добавки диоксида углерода к воздуху при культивировании кормовых дрожжей на жидких углеводородах. Это может быть связано с излишним выносом СО2 из
среды как продукта дыхания.
Существуют возможности лимитирования роста не одним, а сразу несколькими компонентами питательной среды, т. е. о так называемом множественном или, в простейшем случае, двойном лимитировании. С использованием мембранного биореактора было показано, что переход к лимитированию кислородом при росте дрожжей на этаноле приводит к снижению удельной скорости роста ,и возрастанию концентрации субстрата в протоке (рис. 7.12). А резкое увеличение концентрации растворенного кислорода, приводящее к глубокому лимитированию этанолом (голодание), снижает концентрацию последнего почти до нуля и вызывает закономерные
с примерно постоянным интервалом —колебания концентрации растворенного кислорода. Эти колебания прекращаются, если ввести в биореактор некоторое дополнительное количество спирта, снимающее эффект голодания, но не изменяющее лимитирующего фактора.
Несколько иначе выглядит явление лимитирования при использовании сложных субстратов состоящих из нескольких источников углерода одинаковой или различной природы. Одновременное присутствие в среде нескольких разных источников углерода, особенно если одним из них является глюкоза, приводит, как правило, к диауксии — постадийному поглощению разных субстратов, первым из которых всегда оказывается глюкоза (глюкозный эффект). В отсутствии моносахаридов явление диауксии также может наблюдаться, например при росте дрожжей на смеси этанола с ацетатом поглощение уксусной кислоты происходило лишь пос