С.Дж.Перт

Principles of

Microbe and (.;ell

Cultivation

S. JOHN РЩТ

Professor of Microblology

Queen Elizabeth College

University of London

Blackwell Scientific PuЫications

Oxford London Edinburgh Ме!Ьош t1e

1975

С. Дж. Перт

Основы

культивирования

микроорганизмов

иклеток

Перевод с английского

канд. физ.-мат. наук Т. А. ПЕТРОВОй

и канд. биол. наук И. Н. ПОЗМОГОВОй

Под редакцией

проф. И. Л. РАБОТНОВОИ

Издательство «Мир»

Москва 1978

1"

УД)( 576.8.093.3+578.085.23

Монография известного английского микробиолога посвящена

культивированию микроорганизмов. Большое внимание уделено

влнянню внешних факторов иа рост н непрерывному культнвнро­

ванию. Эта область микробиологии имеет не только теоретиче­

ское, но н большое практическое значение. Направленное культн­ внрование позволяет получать микроорганизмы, бносинтетические

способности которых сдвинуты в желаемую сторону. Достоин­

ством книги является широкое использование методов математи­

ческого моделировании, которые изложены сравнительно просто

н вместе с тем достаточно строго.

Предназначена для мнкробнологов, вирусологов, иммуноло­ гов, врачей, специалистов, работающих в микробнологнческой

промышленности, а также может служить учебным пособием дли преподавателей, аспирантов н студентов бнологнческнх специаль­ ностей.

Редакция биологической литературы

П 21007-120 120-78

041(01)-78

под влиянием условий культивирования, а закономерности этих изменений только еще проясняются.

Поэтому книга Перта по существу посвящена вопросам вли­

яния внешних факторов на микроорганизмы. В ней рассматри­

вается влияние кислорода, ионов металлов, элементов питания,

температуры, рН, активности воды, тоничности среды и ингиби­ торов - как образующихся в процессе метаболизма, так и по­

ступающих из среды.

Любое теоретическое обобщение должно выражаться в виде

математической модели. Это придает четкость и точность выска­ зываемым соображениям. Математический аппарат необходим

для количественных предсказаний поведения исследуемых си­ стем. Кроме того, результат расчета говорит и о качественных

явлениях, возможности или невозможности того или иного про­

цесса. Математическая модель может указать на аспекты, ранее

ускользавшие от внимания. Математика выступает как метод не

только количественного, но и качественного мышления.

В основе книги Перта лежит принцип количественного выра­ жения всех проявлений жизни клетки. Свойства и поведение

клеток описываются математическими моделями и теоретиче­

скими графиками. Стремление к этому наблюдается в микро­ биологической литературе в последнее десятилетие. Это стало возможным благодаря применению к объяснению поведения

микроорганизмов законов энзимологии и физической химии.

Ж. Моно впервые использовал для изучения скорости роста

популяции количественную закономерность энзимологии - зави­

оимост1, скорости ферментативной реакции от концентрации

субстрАта, сформулированную в уравнении Михаэлиса -Мен­

тен. Он допустил, что скорость ферментативной реакции можно

отождествить со скоростью роста популяции, поскольку в клет­

ке действует закон «узкого места», т. е. весь метаболизм рав­

няется на скорость самой медленной реакции.

Это было в 1942 г. Через 20 лет Н. Д. Иерусалимский сделал

следующий шаг. Он применил уравнение неконкурентного инги­ бирования ферментативных реакций к ингибированию роста микробных культур продуктами их метаболизма.

С тех пор появилось множество экспериментальных исследо­ ваний, свидетельствующих о справедливости для популяций

этих закономерностей энзимологии. Перт развил это направле­ ние во всей полноте. Он сделал упрощающее предположение,

что биомасса ведет себя как фермент, реагирующий с лимити­

рующим субстратом. Особенно интересны его попытки описать

с этой позиции математически и представить графически дей­

ствие ингибиторов на хемостатные культуры микроорганизмов.

Он разбивает ингибиторы на отдельные типы в соответствии с

тем, как это делается в энзимологии. Его теоретические пред-

сказания ждут экспериментальной проверки. Каждое свойство

клетки и кинетика его изменений под влиянием внешних усло­

вий описывается Пертом количественно, с помощью уравнений

и графиков. Можно сказать, что книга Перта является количе­

ственным изложением вопросов физиологии микроорганизмов,

связанных с ростом.

В этой книге впервые уделено большое внимание методу

культивирования микроорганизмов с добавлением источников питания. Этот способ кулЬ11ивирования занимает промежуточное

положение между периодической культурой и хемостатной. Перт предлагает использовать диффузионную капсулу, позволяющую

осуществить такое культивирование простыми средствами, что

может оказаться очень удобным при необходимости получить культуру, лимитированную источником питания, без сложного

хемостата. Большой интерес представляют собой также данные

о способности микроэлементов образовывать в культурах микро­ организмов комплексные соединения. Игнорирование этого про­

цесса сильно обесценивает многие прежние исследования роли

микроэлементов.

Жаль, что в этой книге несколько робко звучат проблема и

перспективы управляемого культивирования микроорганизмов,

т. е. возможности сознательного изменения метаболизма в же­

лаемую сторону путем воздействия на популяцию внешними факторами. Это можно объяснить тем, что подготовка книги

к печати была завершена еще в 1974 г., а рассматриваемая в

ней область исследования развивается очень быс~ро.

В книге Перта отсутствуют ссылки на работы русских авто­ ров. Между тем по проблемам, затронутым в ней, имеется не­ мало исследований, выполненных в СССР. Поэтому мы сочли

необходимым дополнить список литературы работами, опубли-

кованными на русском языке.

И. Л. Работнова

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Культивирование микроорганизмов как в лабораторных, так

и в промышленных условиях все еще относится скорее к области

искусства, чем науки; иначе говоря, эта работа больше связана

с интуицией, чем с логикой. Основная задача данной моногра­ фии состоит в том, чтобы рассмотреть способы управления куль­

турами микроорганизмов и сформулировать, насколько это воз­

можно, схему общих закономерностей и принципов. Такая схема

необходима для унификации самой науки и облегчения ее

более глубокого проникновения в различные прикладные обла­

сти - в пивоварение, в пищевую и промышленную микробиоло­

гию, в микробиологию сточных вод. Такая схема облегчает,

кроме того, изучение поведения микроорганизмов в их есте­

ственных средах обитания.

Еще недавно при исследовании динамики роста культур

микроорганизмов обычно ограничивались «фазами роста» пери­ одической культуры и лишь иногда упоминали о хемостатной

культуре при необходимости обеспечить регуляцию скорости

роста или длительное культивирование. Простая периодическая

культура - это был единственный способ культивирования, ко­

торый использовался для изучения динамики роста вплоть до

1950 г. Между тем накопленный экспериментальный материал

и его широкое обсуждение уже внесли ясность в вопросы спе­

циального применения не только простых периодических, но

также и хемостатных культур, в том числе хемостата с возвра­

том биомассы, батареи хемостатов, тубулярноrо культивиро­

вания, турбидостата, поверхностного культивирования и, нако­

нец, периодического культивирования с добавлением питатель­ ных веществ. Каждыи из 'НИХ способов занимает свое место в

исследованиях и промышленном или общественном использова­

нии. В настоящей книге рассматриваются успехи, достигнутые

главным образом в третьей четверти нашего столетия, и анали­

зируется их значимость.

Основные факторы, оказывающие влияние на рост и развитие

микроорганизмов, можно подразделить на две группы: внутри­

клеточные факторы, обусловленные структурой и специфически­ ми особенностями организма, и внеклеточные факторы, т. е.

условия внешней среды клетки. К внутриклеточным факторам

относятся структура клетки, метаболические механизмы, гене­ тический материал. Блестящие обзоры по этим вопросам можно

Предисловие

найти в работах, посвященных цитологическим, биологическим и генетическим исследованиям. В настоящей моногорафии основ­ ное внимание уделено внеклеточным факторам. Первоначальный замысел был самым обширным; однако в дальнейшем для со­

кращения объема книги было решено исключить следующие

вопросы: потребность культур в свете, действие света на микро­

организмы, синхронизацию клеточного деления.

Наш главный принцип сводился к тому, чтобы дать макси­ мум информации с минимальной затратой времени. Для этого

количественные аспекты роста микроорганизмов рассматривают­

ся на примере математических моделей. Эти модели исполь­

зуются в двух целях: для обобщения результатов и для обосно­

ванного предсказания пока еще неизвестных свойств культуры.

Чтобы не витать в облаках, сделать материал доступным и упро­

стить математический аппарат до уровня элементарной алгебры и простых вычислений, не требующих специальной университет­

ской подготовки, я ограничился использованием упрощенных

представлений и приближений.

Выяснение количественных аспектов реакции микроорганиз­

ма или клетки на воздействие внешней среды пойдет естествен­

ным путем - от изучения простых периодических культур к изу­

чению хемостатных культур при использовании периодической

культуры с добавлением источников питания в качестве проме­

жуточного или конечного метода культивирования. Несмотря на

быстрое, начиная с 1950 г., накопление данных о поведении

микроорганизмов, еще имеется большой пробел в изучении воз­ действия на них температур, значений рН, кислорода и огром­ ного разнообразия источников питания. Кроме того, детальное изучение ограничивается лишь десятком или около того бакте­ риальных типов и еще меньшим количеством грибов, простей­ ших и тканевых клеток, тогда как в действительности суще­ ствуют миллионы различных типов. Следовательно, можно ска­ зать, что сфера деятельности в этой области науки безгранична.

Я написал эту книгу для студентов-микробиологов; фактиче­

ски в основу большинства глав легли лекции, прочитанные мною

для аспирантов в колледже королевы Елизаветы. Эта книга

может заинтересовать также исследователей, работающих с

микроорганизмами в бродильной и пищевой промышленности, в области микробиологии сточных вод и очистных сооружений, медицинской и сельскохозяйственной микробиологии, а также в области экологии. В книге мною приведены лишь некоторые

примеры культивирования животных и растительных тканевых

клеток, но в будущем это должно развиться в огромную при­

кладную область.