я

к

І 11 111 IV V VI Фази

І — лаг-фаза; II — експоненційна: III — сповільненого росту;

IV — стаціонарна; V — відмирання; VI — виживання

Рисунок 13.1 - Фази росту періодичної культури

1. Фаза - лаг-фаза - (від англ. - затримка) фаза затримки росту, період адаптації. Починається з моменту посіву бактерій у свіже поживне середовище. Це період адаптації культури. Тривалість цієї фази залежить від якості самої культури і якості поживного середовища. Починають синтезуватися необхідні для клітини ферменти. У лаг-фазі кількість РНК збільшується у 8-12 разів, що свідчить про участь РНК і рибосом у синтезі ферментних білків. Наприкінці лаг-фази відбувається незначне збільшення біомаси за рахунок збільшення окремих клітин.

2. Експоненційна фаза характеризується максимальною швидкістю поділу клітин. Процеси росту проводять збалансовано. З подвоєнням біомаси подвоюється кількість білка, ДНК, РНК та ін..

Клітини в цій фазі зазнають певних змін, через зміну в самому середовищі.

3. Фаза сповільненого росту (затримки росту). Її настання обумовлено зміною середовища: зменшення кількості поживних речовин, збільшення концентрації продуктів обміну, дефіцит кисню, зміна рН і т.д. У клітинах змінюється інтенсивність синтезу РНК, ДНК і ін. поживних речовин.

4. Стаціонарна фаза. Кількість клітин перестає збільшуватися. Між клітинами які утворюються і які гинуть відбувається рівновага. В цій фазі біомаса і кількість клітин найбільші. Кількість біомаси в цій фазі називається виходом або врожаєм (рівень біомаси, концентрація біомаси, кількість біомаси).

5. Фаза відмирання (експоненційної загибелі клітин). Характеризується зниженням кількості живих клітин. У змішаних культурах - підвищенням гетерогенності популяцій. В якості джерела вуглецю використовуються ендогенні (внутрішні) субстрати - ендогенне дихання. Спочатку клітини окислюють запасні речовини, потім клітинні ліпіди, вуглеводні, білки. Самоокислення клітиною речовини призводить до зниження біомаси.

Деякі клітини виділяють фермент лізоцим, який руйнує клітинні стінки і мембрани інших мікроорганізмів. Речовини, що вивільняються стають джерелом вуглецю для непошкоджених клітин, також може відбуватися автоліз (саморуйнування, самознищення).

6. Фаза виживання. Характеризується наявністю окремих живих клітин, в умовах загибелі більшості клітин популяції. У свіжому поживному середовищі ці клітини починають активно рости і ділитися.

2. Параметри росту мікроорганізмів

Параметрами росту мікроорганізмів є швидкість росту та економічний коефіцієнт.

Швидкість росту залежить від наступних чинників:

• питомої швидкісті росту;

• необхідних умов для росту біомаси;

• життєдіяльністі засіву;

• наявності джерела енергії;

• наявності домішок, які містять компоненти, що необхідні для

синтезу біомаси;

• відсутності в середовищі інгібіторів;

• підтримки в середовищі необхідних фізико-хімічних умов.

Якщо всі умови задовольнити, то теоретично на протязі невеликого проміжку часу dt збільшення біомаси dx повинне бути пропорційне кількості біомаси х і інтервалу часу, тобто

:-■■■■ = ■■■■■■■ ■ -- =* (13.1)

І ⁼(13.2)

Диференційне визначення гі£ виражає швидкість росту популяції;

^ - визначає швидкість росту одиниці біомаси і називається питомою швидкістю росту. Цей параметр аналогічний складним відсоткам. Наприклад: ц=0,1 год^-1 еквівалентна швидкості 10% за 1годину.

Якщо ц-сош^ то інтегрування рівняння (4.2) дає:

\пХ = \пХ₀+ІІ-І (13.3)

х₀ - біомаса в початкову мить часу t=0.

Графік залежності 1п(х) від t буде мати вигляд прямої з нахилом М, який дорівняє куту ц. Переведення 1п х у десятинний дає: і І¹* ,

._д,: = —₊._гл„ (13.4)

Перетворення рівняння (4.3) дає:

1 X _

^пх_а-^^Хш (4.5) та * =х_а-е^ (13.6).

Ріст, який підпорядкований закону (13.6) називається експоненційним або логарифмічним.

Основний параметр, який характеризує швидкість росту - це питома швидкість росту ц.

б) термін подвоєння біомаси

залежність між швидкістю росту і часом dt отримується, якщо у рівняння (5) підставити х=2х₀ і t=dt

в) ступінь розмноження

визначається відношенням (13.8). Якщо біомаса

подвоюється у п разів або має п генерацій

^Т ^{= 2ГІ} (13.9) => ^{П 3}’^32І&х_а (13.10)

В експерименті по культивуванню потрібно використовувати засів кількість якого 10% від кінцевої біомаси. В такому випадку п=3,32.

Закон постійного експоненційного росту виконується якщо умови середовища і склад біомаси постійні. Тобто якщо швидкість росту не підпорядковується цьому закону, то не виконуються одна або обидві з цих умов. Закон постійного експоненційного росту універсальний для бактеріальної і дріжджових культур, для всіх про - та еукаріотів.

Зміни у середовищі частіш за все стають причиною, через яку неможливо підтримувати постійний експоненційний ріст.

Економічний коефіцієнт називається виходом біомаси.

Визначають із рівняння:

(13.12)

Де Ах - збільшення біомаси, А S - споживання субстрату.

Більш точно економічний коефіцієнт визначається границею, до якої прямує відношення Ах /А S при ^0.

Тобто економічний коефіцієнт буде:

У=-— (13.13).

сіЗ

Слід зауважити що «-» вводиться через те, що значення х і S прямують в різні сторони.

Якщо х₀ і S₀ початкові концентрації біомаси і субстрату, а х і S відповідні концентрації під час росту в культурі, то:

• ,, = НС5₀ - 5Э (13.14)

Коли біомаса досягає свого максимуму х_т, концентрація лімітую чого субстрату дорівнює 0.

$-0, тобто:

■ ~ ⁼ ■' - ■> (13.15)

Швидкість споживання субстрату культурою в одну мить часу характеризується відношенням:

#^=:' (13.16)

q - метаболічний коефіцієнт (або питома швидкість метаболізму). В якості приклада, можна навести q_о, q_глюк для споживання кисню і глюкози. Метаболічний коефіцієнт аналогічний ферментативній активності. Якщо склад біомаси і параметри середовища постійні, то і q буде постійна.

Для споживання субстрату в невеликий проміжок часу dt:

IX - X

^{= _}ЇТ =* (13.17);

[Л ■ X

(13.18).

Порівнюючи рівняння (13.16) і (13.18) отримуємо:

~ у (13.19).

Рівняння (13.19) використовується для визначення потреб у субстраті, особливо кисню, за умов різної швидкості росту.

В експоненційній фазі періодичної культури швидкість росту не дуже залежить від концентрації субстрату. Тобто ріст у цьому випадку характеризується кінетикою 0-порядку. Можна вважати, що кінетика споживання субстрату буде відповідно до кінетики ферментативної реакції.

Тоді якщо S - концентрація субстрату, q - метаболічний коефіцієнт, то:

'■ + (13.20)

Де К - константа насичення (еквівалентна константі Мехамса - Ментен);

q_m - максимальне значення q, отримане за умов S>>K_s.

Якщо q=ц/У, а q_m=ц_m/У, отримуємо:

т

I^і = ~ 7~

• + - відношення Моно (13.21)

Значення K_s зворотньопропорційне спорідненості організму до субстрату. Визначити К дуже важко. Значення K_s для джерела вуглецю і енергії близьке до 10^-5 моль. Для іонів К+, Mg⁺, фосфат-іонів також ~10^-5 моль. Для кисню 10^-6-10^-5 моль. Для амінокислот вітамінів нижче на один або декілька порядків.

Тривалість лаг-фази - це проміжок часу між моментом ^_еал в який культура досягла певної біомаси х_реал і моментом ^_еор, в який вона могла б досягти такої самої біомаси х_теор, якби відразу ж після інокуляції починався експоненційний ріст.

L - лаг-період.

Рівняння для росту лаг-культури буде мати вигляд:

;_п = :) + :г.ї₀ (13.23).

Тривалість експоненційної фази загибелі клітин описується рівнянням, яке є аналогічним до експоненційної фази росту:

~⁼"' (13.24)

(13.25)

^ 1пХ_ - 1л Хі-

г (13.26)

к - питома швидкість загибелі клітин.