29. Проточное (непрерывное) культивирование микроорганизмов.

При непрерывном способе культивирования микроорганизмы постоянно получают приток свежей стерильной питательной среды, а из аппарата непрерывно отбирается биомасса вместе с образуемыми метаболитами (такой способ культивирования можно назвать «открытой» системой). При непрерывном культивировании микроорганизмы не должны испытывать недостатка в питательном субстрате, так как скорость его притока сбалансирована со скоростью выхода биомассы. Кроме того, культура не отравляется продуктами обмена веществ – в этом большое преимущество непрерывного способа культивирования по сравнению с периодическим. Непрерывно-проточное культивирование дает возможность поддерживать постоянные условия роста микроорганизмов за счет ограничения какого-то одного фактора среды.

Рост в хемостате. При культивировании в условиях хемостата поддерживается постоянная концентрация одного из компонентов среды (например, углерода или азота). Благодаря этому в условиях хемостата поддерживается постоянная скорость роста культуры. Культура микроорганизма находится в условиях динамического равновесия. В хемостате скорость разбавления питательной среды является постоянной в соответствии с заданной плотностью популяции. По мере поступления питательного раствора из него вытекает суспензия микроорганизмов с той же скоростью. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста.

Рост в турбидостате. Работа турбидостата основана на поддержании постоянной концентрации живых клеток. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, а скорость роста бактерий приближается к максимальной. В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры в ферментере. Скорость разбавления устанавливается автоматически в соответствии с заданной плотностью популяции. Когда плотность биомассы увеличивается относительно некоторого выбранного уровня, фотоэлемент, соединенный системой реле, подает свежую питательную среду.

Недостатки хемостата:

1. Технические трудности, в первую очередь связанные с создани­ем асептических условий.

2. Не во всех случаях непрерывный процесс предпочтительнее пе­риодического, поскольку при низкой удельной скорости роста биомас­сы периодический процесс по эффективности не уступает непрерыв­ному и более выгоден, т. к. его проще осуществить.

3. Интенсивный биосинтез многих продуктов метаболизма проис­ходит при медленном росте биомассы, поэтому в периодических про­цессах концентрация целевого продукта в культуральной жидкости обычно выше, чем в непрерывных, что существенно повышает эффек­тивность стадий выделения и очистки продукта.

30. Контроль роста микроорганизмов.

Рост микроорганизмов необходимо сдерживать, если их развитие приводит к нежелательным последствиям. Так, микробная активность может вызывать инфекционные заболевания, а также порчу продуктов и материалов. В таких случаях используют антимикробные агенты. Как правило, воздействие этих веществ дозозависимое, т.е. чем выше доза, тем сильнее влияние. 

Агенты, приводящие к остановке роста микроорганизма или к его уничтожению, называют бактериостатическими или бактерицидными соответственно. 

Один и тот же антимикробный агент может при низкой концентрации оказывать бактериостатическое действие, а при высокой — убивать микроорганизмы. Бактериостатическое действие обратимо: при снижении концентрации или удалении такого антимикробного агента микроорганизм возобновляет свой рост. Для стерилизации следует применять бактерицидные антимикробные агенты с широким спектром действия. Следует помнить, что для некоторых микроорганизмов эти вещества, наоборот, могут быть источниками углерода и энергии. 

Все антимикробные агенты для удобства разделяют на несколько групп в соответствии с механизмом их действия. 

В первую группу включают вещества, повреждающие поверхностные структуры клетки. Например, бактерицидное действие 70%-го этанола связано с коагуляцией белков. Поверхностно-активные вещества нарушают избирательную проницаемость цитоплазматической мембраны.

Вторая группа веществ действует как ферментные яды, нарушая пространственную структуру белков и функционирование ферментов. К этой группе относятся тяжелые металлы (медь, ртуть, свинец), связывающиеся с SH-группами белков. Цианид и СО функционируют как дыхательные яды и др.

Третья группа — это аналоги нормальных метаболитов, которые конкурируют с ними за каталитический центр фермента. Из-за схожести структуры аналоги могут взаимодействовать с каталитическим центром фермента и занимать место нормального метаболита. Например, сульфаниламид является структурным аналогом пара-аминобензойной кислоты (ПАБК, рис. 5.9). 

Четвертая группа — это вещества, нарушающие нормальные процессы синтеза биополимеров. Например, многие антибиотики оказывают влияние на разные этапы белкового синтеза. Так, стрептомицин и неомицин подавляют связывание аминокислот между собой, пенициллин и цефалоспорин нарушают процесс образования пептидогликана. 

Вещества, оказывающие опосредованное, обычно бактериостатическое действие, относят к пятой группе. Это, например, NaCl и сахароза, в высоких концентрациях замедляющие развитие микроорганизмов из-за снижения активности воды. Такие вещества часто используют при консервировании продуктов.