II. Закономерности роста микроорганизмов при периодическом культивировании.

Поверхностное культивирование всегда периодическое. Глубинное может быть периодическим и непрерывным. При периодическом процессе создается замкнутая система, т.к. весь объем питательной среды и посевного материала (инокулят) задается сразу в аппарат. Процесс выращивания ведут на несменяемой питательной среде до определенного количества биомассы или накопления продуктов метаболизма.

В процессе роста микробной культуры можно выделить несколько фаз:

1. начальная фаза;

2. переходная фаза;

3. логарифмическая (экспоненциального роста) фаза;

4. фаза затухающего роста;

5. стационарная фаза;

6. фаза отмирания.

Если по оси абсцисс отложить время выращивания, а по оси ординат – плотность популяции (биомассу), то зависимость накопления биомассы от времени будет выражена следующей кривой:

Х

х4,5

х3

х2

x1

0 t1 t2 t3 t4 t5 t, ч

Первая фаза характеризуется уравнением dx/dt = 0. Длительность этой фазы зависит от условий выращивания посевного материала. Клетки из состояния голодания переходят в состояние, соответствующее способности размножения. Клетки не потребляют питательных веществ, но увеличивается объем клетки за счет собственных ресурсов. Роста культур нет, увеличивается содержание белка, и-РНК, но количество ДНК не изменяется.

Изменение объема клетки выражается следующим выражением:

,где

V0 – объем клетки в момент времени 0;

V – объем клетки в момент времени t1;

t – промежуток времени от 0 до t1;

c – постоянная скорость роста.

По достижении определенного объема клетка начинает делится и переходит во вторую фазу. Это сопровождается репликацией ДНК – кариокинезом (деление ядра). Численность популяции за определенное время увеличивается. Время, в течение которого число клеток увеличится в два раза, т.е. время между двумя последующими делениями, называется временем генерации.

Если обозначить исходное число клеток через С0, тогда через данное число генераций n, плотность популяции в культуре составляет Сt:

Сt = C0  2ⁿ  n = (lgCt – lgC0) / lg2

Переходную фазу можно описать следующим уравнением:

dx/dt = 1kx, где

х – биомасса;

к – константа скорости роста;

 - величина, которая в интервале времени (t1;t2) принимает значения от 0 до 1.

Т.е. в переходной фазе максимально увеличивается скорость роста.

Когда  достигает 1, культура переходит в третью фазу – фазу интегрального роста.

dx/dt = kx

В этой фазе идет быстрое размножение микроорганизмов, на полную мощность работает генетический аппарат. Питательные вещества среды быстро потребляются и вовлекаются в конструктивный обмен клеток. Но вскоре наступает ограничение в количестве питательного субстрата. В связи с этим, важным показателем этой фазы является  - удельная скорость роста, которая зависит от концентрации питательного субстрата.

 = мax  [S] / ( Ks + [S] ), где

мax – максимальная удельная скорость роста;

S – концентрация питательного субстрата;

Ks – константа, которая соответствует концентрации субстрата, при которой  = 0,5мax.

Когда снижается концентрация питательных веществ, происходит снижение скорости роста от 1 до 0 – это фаза затухающего роста. Клетки в культуре начинают голодать, накапливаются токсические продукты обмена веществ. Постепенно продукты переходят в стационарную фазу (она самая длительная: t4 – t5). В популяции присутствуют разные клетки: живые, но голодающие; живые, но ингибированные; живые. Эта фаза длится около суток. Постепенно эта фаза переходит в фазу отмирания – наступает автолиз.

Недостатки периодического культивирования

Изменяется физиология клеток, возникают технологические трудности: регулирование рН, температуры и т.д. Из-за этого более перспективным является непрерывное культивирование.