Что изучает кинетика роста популяций микроорганизмов

Кинетика роста популяций микроорганизмов

В процессе жизнедеятельности в организме протекает миллион ферментативных реакций. Встает задача моделирования роста организма и нахождение уравнений, описывающих скорость протекания процессов роста. Инженера интересует как растет биомасса в процессе очистке воды в аэротенке или биофильтре. Х – биомасса [г/л].

Кинетика роста популяций изучает изменение биомассы за еденицу времени (dx/dt)

Многие математические модели, описывают кинетику изменения биомассы. Одна из них (самая простая) модель Моно.

Модель Моно учитывает лимитирующее действие субстрата.

(1)

При этом Моно принял, что m – удельная скорость роста микроорганизмов подчиняется полностью закону Михалиса-Ментен:

(2)

Где m_max – максимальная удельная скорость роста, S – концентрация субстрата (L – загрязнения), k_S – константа полунасыщения, т.е. это такая концентрация субстрата, при которой удельная скорость роста принимает значение половины максимальной.

(3)

Вводиться понятие экономического коэффициента по субстратам: y_s/x, который определяет какое количество субстрата пошло на прирост биомассы, на процессы жизнедеятельности и т.д. Экспериментальные исследования показывают, что микроорганизмы в самых простых случаях растут следующим образом:

1 фаза: лакфаза (конфигурация биомассы постоянна или уменьшается, связана адаптацией);

2 фаза: ускорения роста (культура начинает расти, после адаптации);

3 фаза: логфаза – фаза экспоненциального роста (биомасса растет по экспоненциальному закону);

4 фаза: фаза замедления роста (связана с недостаточным подводом О₂ еще при наличии субстрата);

5 фаза: фаза – стационарная фаза (когда субстрат исчерпан, микроорганизмы перестают расти).

6 фаза: фаза отмирания (лизис клетки).

Другие математические модели учитывает некоторые факторы, воздействующие на биомассу.

Модель Иерусалимского. Он показал, что скорость роста биомассы максимальна при отсутствии продукта.

(4)

k_P – константа, физический смысл которой заключается в том, что это такая концентрация продукта, при которой удельная скорость роста становится ½ от максимальной.

(5)

Модель Холдейна: (с учетом ингибирующего действия субстрата)

(6)

k_i – константа ингибирования.

(7)

Модель Герберта (с учетом гибели микроорганизмов)

(8)

(9)

Модели для смешанных популяций учитывают гетерогенность видового состава биомассы.

Модель Кеннела (учитывает взаимоотношение микроорганизмов как хищник – жертва).

(10)

; (11)

(12)

где: x – первая популяция микроорганизма (жертва), питается субстратом;

b – вторая популяция микроорганизма (хищник), питается жертвой;

S – концентрация субстрата;

m_m – удельная скорость роста первого вида;

m_b – удельная скорость роста второго вида;

k_S – константа полунасыщения первого вида;

k_x – константа полунасыщения первого вида.

Источник

Кинетика роста микроорганизмов

Для выращивания любой культуры необходимы: 1) жизнеспособный посевной материал; 2) источники энергии и углерода; 3) питательные вещества для синтеза биомассы; 4) отсутствие ингибиторов роста; 5) соответствующие физико-химические условия (температура, рН среды, наличие или отсутствие кислорода и др.).

Если все эти требования выполнены, то скорость роста (увеличения биомассы) одноклеточных микроорганизмов с бинарным делением, размножающихся в условиях хорошо перемешиваемой периодической культуры, будет пропорциональна концентрации микробной массы, то есть:

2. Продукты микробного брожения и метаболизма

К продуктам микробного брожения и метаболизма относятся первичные метаболиты, вторичные метаболиты, ферменты и сама клеточная биомасса (так называемые белки одноклеточных микроорганизмов).

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 дальтон), необходимые для роста микробов; одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, пуриновые и примидиновые нуклеотиды, витамины и др. Исходными штаммами для промышленных процессов служат природные организмы и культуры с нарушениями регуляции синтеза этих метаболитов, так как обычные микробные клетки не производят избытка первичных метаболитов.

Вторичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения, образующиеся на более поздних стадиях развития культуры, не требующиеся для роста микроорганизмов. По химическому строению вторичные метаболиты относятся к различным группам соединений. К ним относят антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, токсины и пигменты.

3. Сырье и состав питательных сред для биотехнологического производства

Источник

Кинетика роста микроорганизмов

Периодическое культивирование

В процессе культивирования микроорганизмов периодическим способом, как указывалось ранее, можно выделить несколько периодов роста (рис. 2.19).

В первый период, после внесения в среду посевного материала (лаг-фаза), происходит процесс приспособления посевной культуры к новой среде. Численность популяции в эта время не увеличивается (а в некоторых случаях даже снижается). Состояние популяции в лаг-фазе формально можно описать так:

(для т, лежащего между 0 и т1).

Предполагается, что в период лаг-фазы микробные клетки не потребляют субстрата, но метаболическая активность клеток проявляется в повышении содержания белка и РНК (при постоянстве содержания ДНК), а также в увеличении объема клеток, который в общем виде может быть выражен с помощью уравнения

По достижении определенных соотношений между величинами поверхности клетки и ее объема происходит деление клетки, вследствие чего численность популяции начинает увеличиваться с возрастающей скоростью, которая для данной фазы роста культуры, называемой переходной, описывается соотношением

Интегральная зависимость, описывающая участок кинетической кривой роста между т1 и т2, имеет вид

Увеличение скорости роста популяций в переходной фазе идет до предела, определяемого формально достижением параметром ф величины, равной единице, после чего скорость роста начинает выражаться зависимостью

(для т между т2 и т3), откуда интегральная форма представляет экспоненциальную функцию

Эта фаза роста носит название экспоненциальной, или фазы логарифмического роста. Для оценки скорости роста биомассы часто пользуются величиной удельной скорости роста u.

В качестве характеристики растущей культуры, находящейся в этой фазе, используют термины «время удвоения» и «время генерации» q, рассчитываемое по уравнению

Однако такой характер роста популяции, который в первом приближении может быть описан экспоненциальной зависимостью, наблюдается в течение ограниченного периода времени, так как по мере увеличения биомассы все отчетливее проявляется тенденция к замедлению скорости роста. Для такого участка кинетической кривой роста популяции, называемого фазой затухающего роста культуры, может быть использовано дифференциальное уравнение для скорости роста

и его интегральная форма для описания изменения концентрации биомассы во времени

(для интервала времени между т3 и т4).

Снижение скорости роста по мере приближения X к значению Х4 происходит вплоть до достижения нулевого значения, которое характеризует вступление популяции в стационарную фазу: X = X4

(для т, лежащих между т4 и т5).

По завершении фазы стационарного роста начинается фаза отмирания, или фаза дегенерации, культуры, характеризующаяся уменьшением численности популяции.

Это уравнение является наиболее общим выражением для роста популяции, и в зависимости от частных условий (обратимое или необратимое размножение, рост популяции с исчерпыванием субстрата или при поддержании его количества на постоянном уровне) уравнение приобретает соответствующую форму и дает различное выражение для величины концентрации биомассы.

Большие возможности для повышения эффективности производства заложены в непрерывном способе выращивания.

Непрерывное культивирование

Сущность метода заключается в поддержании постоянных условий среды, а тем самым и микроорганизма-продуцента в определенном физиологическом состоянии. При непрерывном методе в образовании конечного продукта в течение всего ферментационного процесса участвует практически вся популяция микроорганизмов, чему способствуют оптимальные условия культивирования.

При непрерывном культивировании возникает открытая динамическая система, в которой микроорганизмы непрерывно размножаются со скоростью, зависящей от притока питательных веществ и других условий питания. Часть объема культуральной жидкости непрерывно вытекает с той же скоростью, с какой подается среда в аппарат, и количество микроорганизмов, поддерживающее непрерывный процесс, остается в ферментаторе постоянным. В стерильных условиях непрерывный метод обеспечивает сохранение культуры в физиологически активном состоянии длительное время.

Скорость увеличения биомассы в протоке выражается уравнением

Если в стационарном состоянии dX/dт = 0, то u = D. Это означает, что концентрация клеток неизменна. Чаще всего это бывает при D = 0,01 ± 0,25.

В условиях непрерывного культивирования, когда культура находится в состоянии динамического равновесия (при u = D), различают турбидостатный и хемостатный процесс.

При турбидостатном культивировании скорость протока среды регулируют так, что концентрация клеток остается постоянной. При хемостатном культивировании постоянная концентрация клеток в среде поддерживается при помощи постоянной концентрации химических соединений, в частности лимитирующего субстрата (например, источников углерода, азота, витаминов и др.).

Зависимость удельной скорости роста культуры от концентрации субстрата определяется уравнением Моно

Концентрация субстрата не является единственным фактором, лимитирующим скорость роста микроорганизмов. Н. Д. Иерусалимский пришел к заключению, что удельная скорость роста зависит от плотности популяции и что при высокой концентрации клеток задерживать рост могут продукты обмена веществ. Удельную скорость роста можно рассчитать по уравнению

Для поддержания культуры в состоянии максимальной скорости размножения необходимы постоянный приток свежего субстрата и вывод продуктов обмена веществ.

При определении прироста микроорганизмов в период культивирования предполагается, что содержимое ферментатора хорошо аэрируется и перемешивается, что популяция микроорганизмов однородна и свойства ее практически постоянны при высокой концентрации субстрата, лимитирующего рост, т. е. при S > Ks. Другие вещества, влияющие на рост, также находятся в постоянном избытке. Тогда удельную скорость роста u следует считать близкой к uмакс.

При периодическом культивировании микроорганизмов зависимость изменения концентрации микроорганизмов во времени описывается дифференциальным уравнением

Экономический коэффициент выражает количественные потребности микроорганизмов в питательных веществах. Если система находится в равновесии, то u = D. Равновесие можно нарушить, изменяя скорость протока u > D или u

Источник

Кинетика роста культур микроорганизмов

Кинетические модели роста культур микроорганизмов. Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата «микроскопический» подход. Влияние транспортных процессов на кинетику роста популяции. Старение клетки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство Образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство образования

Тверской государственный технический университет

Кафедра биотехнологии и химии

Реферат на тему: «Кинетика роста культур микроорганизмов»

1.Кинетические модели роста культур микроорганизмов.

1.1. Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата «макроскопический подход» ………..….………. 8

1.1.1. Простейшая схема взаимодействия клетки с субстратом……………….8

1.1.2. Упрощенные методы анализа кинетики и механизмов автокаталитического роста микроорганизмов………………………..………..10

2. Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата «микроскопический» подход…………………. 18

2.2. Влияние транспортных процессов на кинетику роста популяции….…. 22

2.3. Старение клетки в процессе роста…………………………………………25

2.4. Пределы скорости роста культур микроорганизмов……………………..30

В настоящее время количественная микробиология, основанная на химико-кинетическом моделировании процессов микробного роста, является активно развивающейся областью биокинетики, имеющей много интересных фундаментальных и практических приложений.

Вопросы кинетического описания роста микробных популяций давно привлекают внимание ученых. В конце 40-х годов 20-ого столетия Моно обнаружил и обосновал связь между скоростью роста культур микроорганизмов и концентрацией в среде лимитирующего субстрата. После этого работы по кинетическому моделированию роста культур микроорганизмов получили достаточно большое распространение. Широкое применение нашли методы непрерывного культивирования микроорганизмов, и, как следствие, возникла кинетическая теория, адекватно и плодотворно описывающая процессы роста микроорганизмов в открытых системах при непрерывном культивировании (Н.С. Печуркин, 1978; Дж. Перт,1978;). Важно отметить, что в развитие кинетической микробиологии большой и во многом определяющий вклад внесли советские исследователи Н.Д. Иерусалимский, Н.С. Печуркин, И.А. Терсков.

Современный этап исследований в области кинетического описания микробиологических процессов характеризуется рядом особенностей.

Во-первых, дальнейшее развитие получают экспериментальные методы исследования процессов, протекающих в микробной системе, в результате чего становятся доступными многопараметрические измерения, анализ многокомпонентных систем, детальный биохимический анализ микромолекулярных биосистем. Все это приводит к количественной точности, полноты, информативности микробиологического эксперимента. Во-вторых, заметное распространение получили аналитического рассмотрения кинетики роста микробных популяций, что позволяет иметь богатую информацию о природе процессов на основе первичных данных роста микробной культуры. В-третьих, произошли кардинальные изменения в связи с использованием компьютеров для анализа и кинетического моделирования микробиологических процессов.

1 Кинетические модели роста культур микроорганизмов

Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах (периодическое культивирование) имеют сложный характер (рис 1.1). Выделяют несколько фаз в развитии культуры.

ь После введения инокулята обычно наблюдают индукционный период (лаг-фазу) (1), в течение которого не происходит сколько-нибудь заметного увеличения числа клеток или образования каких-либо продуктов. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию новых субстратов, активируется биосинтез белка.

ь Индукционный период сменяется фазой экспоненциального роста (2), в течение которой быстро накапливаются биомасса и продукты разных реакций. Эта фаза достаточно строго описывается экспоненциальной кривой.

ь В замкнутой системе экспоненциальная фаза роста не может развиваться неограниченно. Как правило, она переходит в фазу линейного роста (3), характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры, имеет место отклонение от точек в сторону меньших значений количества клеток или продуктов, что служит экспериментальным критерием перехода культуры в линейную фазу роста.

ь Фаза линейного роста может смениться весьма непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста (4).

ь В некоторых случаях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую по продолжительности стационарную фазу. В этих условиях культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток. Режим характеризуется достаточно высокими скоростями отмирания клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток.

Рисунок 1.1- Типичная кинетическая кривая роста популяции микроорганизмов: 1-индукционный период; 2- фаза экспоненциального роста; 3- фаза линейного роста; 4- фаза замедления роста; 5- стационарная фаза; 6-фаза отмирания культуры.

Принципиальной особенностью кинетики микробных популяций является зависимость скорости роста культуры от концентрации одного или нескольких наиболее важных компонентов среды, обеспечивающих биосинтетическую основу метаболизма. Эти компоненты, получившие название лимитирующих субстратов, в определенной степени регулируют скорость роста популяции.

В результате экспериментальных исследований зависимости роста культур микроорганизмов были обнаружены две особенности:

a. Скорость изменения числа микроорганизмов в режиме его роста (в экспоненциальной фазе) линейно связана с концентрацией клеток в системе:

получивший название удельной скорости роста ();

b. Было найдено, что в большинстве случаев значение удельной скорости роста зависит от концентрации лимитирующего субстрата и эта зависимость может быть представлена в форме

1.1 Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата. «Макроскопический» подход.

1.1.1 простейшая схема взаимодействия клетки с субстратом

Представим себе простейшую кинетическую схему автокаталитической реакции с разложением каталитических центров

Число центров, с которыми взаимодействует субстрат, и число клеток микроорганизмов связаны между собой прямо пропорциональной связью, поскольку предполагается, что клетки в среднем содержат одинаковое число центров, на которых осуществляется трансформация субстрата. В рамках кинетического приближения частоту актов деления клеток можно обозначить константой k. Субстрат S в результате взаимодействия с компонентами клетки трансформируются с образованием продукта P.

Динамику изменения в системе концентрации компонентов будут описывать уравнения

Если концентрация вещества S в системе достаточно велика и за время процесса меняется несущественно, то можно её считать величиной постоянной (). В этом случае уравнение (5) может быть проинтегрировано относительно числа клеток N. Если использовать начальное условие (), интегрирование уравнения (5) дает экспоненциальную функцию

Подстановка уравнения (8) в дифференциальное уравнение (6) и последующее его интегрирование (при допущении, что ) приводит к следующей зависимости от времени концентрации продукта:

При временах реакции, близких к нулю концентрация продукта близка к нулю, при больших временах реакции должен наблюдаться экспоненциальный рост концентрации продукта:

Уравнение (1.11) в отличие от уравнения Моно дает линейное неограниченное увеличение удельной скорости роста микроорганизмов с увеличением концентрации субстрата. Это противоречит экспериментальным данным и требует дополнительного усложнения простейшей кинетической схемы (1.4).

1.1.2 упрощенные методы анализа кинетики и механизмов автокаталитического роста микроорганизмов

Сложности анализа кинетики процесса существенно увеличиваются с усложнением кинетической схемы процесса. Так, для того чтобы найти характеристические времена для кинетической схемы с участием двух промежуточных состояний (трехстадийная схема), необходимо аналитически решить кубическое уравнение и детально проанализировать свойства корней этого уравнения. Сложности становятся практически непреодолимыми, если анализ кинетики сопряжен с исследованием четырехстадийных или пятистадийных процессов. Это требует поиска методов анализа кинетики на принципах существенного упрощения с сохранением адекватности кинетического описания.

Рассмотрим принцип и возможности такого подхода на примере двухстадийного процесса

Субстрат, взаимодействуя с каталитическими центрами внутри клетки (число центров N пропорционально числу клеток в популяции), приводит к образованию метаболитов, обеспечивающих возможность деления клетки и удвоения центров, с которыми взаимодействует субстрат.

Кинетику процесса описывает система уравнений (S постоянно,)

Измеряемая на опыте биомасса (или общее число клеток микроорганизмов) представляет собой сумму двух переменных величин:

Система уравнений (1.13), (1.14) может быть решена относительно переменных N(t) и X (t). Из уравнения (1.13) следует:

Уравнение (1.16) можно представить в виде

При опредёленных условиях в левой части уравнения можно пренебречь членом по сравнению с Х. Найдем условия, при которых выполняется неравенство

Воспользуемся уравнением, которое получается в результате решения уравнения (16):

и подставим значения Х и из этого уравнения в неравенство в (18):

При выполнении этого неравенства в дифференциальном уравнении (17) можно пренебречь первым слагаемым и существенным образом упростить решение.

Если воспользоваться результатами решения уравнения (14), а именно подставить в неравенство (20) значение положительного корня :

Таким образом, для кинетической схемы (12) и системы уравнений (13)-(15) весьма вероятно выполнение неравенства (21). Это позволяет в дифференциальном уравнении (17) в силу малости параметра с высокой степенью точности пренебречь членом по сравнению с Х В этом приближении дифференциальное уравнение (17) трансформируется в алгебраическое:

С учетом материального баланса можно записать

Это уравнение представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными, решение которого имеет вид

это соответствует уравнению, полученному при полном решении системы дифференциальных уравнений, а также согласуется с эмпирическим уравнением Моно.

Представим, что кинетика процесса включает несколько соизмеримых по параметрам последовательных стадий:

Кинетику изменения во времени всех компонентов (при условии постоянства ) описывает система уравнений

Выражение для общего количества биомассы, включающее суммарное количество клеток во всех состояниях, имеет вид

Сложение дифференциальных уравнений (29)-(31) приводит к уравнению

Из уравнений (29) и (30) следует:

С учетом этих соотношений уравнение для общего количества биомассы можно записать в виде

Если подставить это уравнение в (33), будем иметь

Решение этого дифференциального уравнения с разделяющимися переменными при использовании начального условия t=0, M = имеет вид

Соответственно уравнение удельной скорости роста культуры микроорганизма можно записать в виде

Подставим это уравнение в «классической» гиперболической форме:

при этом значения параметров и как функции констант скорости элементарных стадий даны уравнениями

Если на какой-либо стадии реакции образуется продукт, т.е.

то зависимость его концентрации от времени можно найти из уравнения

При временах, превышающих 1/?, в (49) можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным членом. При этом справедливо уравнение

это уравнение экспоненциального роста культуры в условиях детекции продукта ферментативного процесса. Линеаризация данных по продукту реакции в полулогарифмических координатах позволяет, так же как и при определении биомассы, определить удельную скорость роста культуры.

2 Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата, «микроскопический» подход

При условии, что это время удается рассчитать, рост популяции в экспоненциальной фазе будет описываться уравнением

Рассмотрим механизм деления клетки, предполагая, что действие фермента (или ферментной системы), трансформирующего лимитирующий субстрат, и процесс репликации ДНК являются самыми медленными стадиями. Такая ситуация часто реализуется для активно растущих микроорганизмов, постоянно находящихся в процессе деления.

Проанализируем простейшую схему:

Кинетику процесса в рамках кинетической схемы (52) описывает система уравнений

В условиях стационара по промежуточному метаболиту () имеем

На начальном этапе процесса в режиме S=S₀ уравнение может быть проинтегрировано:

(при этом использовано начальное условие t=0, DNA=0).

Репликационный процесс заканчивается, когда количество синтезированной DNA=В, где В- количество базовой ДНК. Величина В может быть охарактеризована различным образом. Например, если скорость процессов в клетке выражается в единицах моль в секунду на клетку, то В может быть выражено в единицах моль оснований ДНК на клетку.

Таким образом, найдено время, необходимое для удвоения ДНК. Видно, что оно зависит от концентрации субстрата обратно пропорционально активности лимитирующего фермента.

Динамика изменения числа клеток в популяции с учетом уравнения (59) определяется соотношением

т.е. удельная скорость роста культуры будет иметь вид

Величины К_S должны соответствовать константе Михаэлиса лимитирующего фермента.

2.2 влияние транспортных процессов на кинетику роста популяции

Рассмотрим закономерности процесса для случая, когда транспорт вещества в клетку может вносить свой вклад в лимитирование процесса роста клетки. Известно, что транспорт лимитирующего субстрата, определяемый действием пермеаз, может быть относительно медленной стадией. Формально эквивалентным является случай, когда транспорт лимитирован внешнедиффуззионным субстрата. Простейшая кинетическая схема имеет вид

Кинетику процесса описывает система дифференциальных уравнений

Предполагается, что скорость транспортных процессов может линейно зависеть от концентрации субстрата. Это достаточно справедливо для лимитирования субстрата (С.Д. Варфоломеев, Г.Ф. Судьина, 1980):

Если в клетке имеет место стационарное состояние по промежуточным субстратам S₁ и S₂, т.е. если то

следовательно, скорость роста полимерной цепи ДНК лимитирована скоростью транспорта субстрата. В этом случае удельная скорость роста популяции должна быть представлена уравнением

Таким образом, удельная скорость роста клеточной культуры может иметь вид (71)

[следствие уравнения 67] или

[следствие уравнения 68].

Транспорт веществ в клетку может быть быстрым и носить равновесный характер. Этому соответствуют кинетическая схема

и система уравнений

В режиме быстрого использования S₂ (? велико) (1/?) dS₂/dt 0, (96)

из которого получаем

В микробиологии часты случаи, когда рост клеток весьма чувствителен к концентрации лимитирующего субстрата; рост культуры полностью прекращается при переходе к низким его концентрациям. Физический смысл критических эффектов заключается в том, что при малых концентрациях субстрата репликационный процесс идет настолько медленно, что инактивационные процессы успевают блокировать рост клетки.

Отличить рост культуры со старением от неосложненного роста можно на основе изучения зависимости удельной скорости роста от концентрации исходного субстрата. В случае заметных эффектов инактивации ключевых элементов клеточного деления кинетические данные не должны линеаризироваться в обратных координатах (рис.1.2 б). Возможность дискриминации механизмов в значительной степени зависит от точности эксперимента, в первую очередь от точности определения удельных скоростей роста популяции.

Для определения кинетических параметров роста культуры из экспериментальных данных можно воспользоваться приближенными уравнениями, основанными на разложении в ряд логарифмического члена уравнения (93).При концентрациях субстрата выше критической разложение в ряд логарифмического члена уравнения (93) и использование первых двух членов приводят к уравнению

Это уравнение справедливо при невысокой степени нелинейности экспериментальных данных в координатах 1/? от 1/S₀.

Уравнение (1.97) может быть записано в форме

Эта прямая в координатах 1/? от 1/S₀, имеющая вид касательной в точке 1/?_m. Оценка K_S на основе этой прямой позволяет рассчитать функцию Ф при любой концентрации субстрата:

С учетом этого уравнение (99) может быть трансформировано к виду

2.4 пределы скорости роста культур микроорганизмов

В рамках всех рассмотренных моделей параметр K_S связан с константой Михаэлиса наиболее медленно работающего фермента, осуществляющего конверсию лимитирующего субстрата.

Значения параметров процесса удобно характеризовать функцией плотности распределения. Для получения представлений о распределение величины весь пул найденных значений был разбит на группы с приблизительно одинаковыми значениями K_S в пределах одного порядка. Далее было подсчитано число значений в группе и полученная величина разделена на общее число значений в пуле. Тем самым найдена вероятность обнаружения величин с заданным значением константы K_S.

Для сравнения на этом же рисунке приведены плотности распределения констант Михаэлиса для ферментативных реакций (С.Д. Варфоломеев, С.В. Зайцев, 1982). Видно, что плотности распределения констант Михаэлиса ферментативных процессов и констант сродства к микроорганизмам в значительной степени перекрываются.

Нижний предел скорости роста культур микроорганизмов определяется, по-видимому, малой жизнеспособностью популяции клеток, имеющих относительно низкие скорости роста.

Абсолютный предел в скоростях удвоения клеток определяется скоростями полимерных молекул. Например, синтез молекулы ДНК занимает отрезок времени, превышающий 15 мин. Проиллюстрируем простым расчетом. Молекула ДНК с М_r

Рисунок 1.3- Плотность распределения кинетических характеристик ферментативных реакций.

В этой главе были рассмотрены кинетические модели роста популяции микроорганизмов для выявления связи между удельной скоростью роста популяции и концентрацией лимитирующего субстрата. Для этих целей может быть использовано два подхода. Первый подход основан на представлении о росте микробной популяции как автокаталитическом процессе, идущем с учетом, того, что это время определяется каким-либо биохимическим процессом, в частности временем биосинтеза ДНК. Оба подхода приводят к функциональной зависимости удельной скорости роста от концентрации лимитирующего субстрата.

Принципиально важным и полезным при анализе конкретных экспериментальных данных является использование кинетической модели, учитывающей «старение» клетки в процессе роста. Предполагается, что «старение» клеточного аппарата выражается в инактивации клеточных ферментных систем. Уравнения для удельной скорости роста функционально мало похоже на «классическое» уравнение Моно, однако графически весьма к нему близко. Важный вывод в системах со «старением» должны иметь место критические явления при низких концентрациях субстрата. Рост культуры может происходить только при концентрации субстрата выше критического порога. Указанием на то, что рост исследуемой культуры клеток протекает в рамках механизма, отражающего «старение» клеток в процессе роста, может служить не линейность зависимости скорости роста от концентрации субстрата в обратных координатах. Скорость роста резко падает при низких концентрациях субстрата, соответственно в обратных координатах 1/? резко возростает.

Список использованных источников

Подобные документы

Характер роста периодической культуры. Эффективность использования субстрата для достижения конечной емкости. Хемостат как модель роста микроорганизмов в природных системах. Способность микроорганизмов выживать в условиях голодания и при стрессе.

курсовая работа [936,8 K], добавлен 29.01.2013

Последовательность событий в процессе деления новой клетки. Накопление критической клеточной массы, репликация ДНК, построение новой клеточной оболочки. Характер взаимосвязи процессов клеточного деления. Управление скоростью роста микроорганизмов.

реферат [1014,9 K], добавлен 26.07.2009

Классификация непрерывного культивирования микроорганизмов. Концентрации биомассы и лимитирующего рост субстрата. Критическая скорость разбавления. Хемостатный реактор с рециклом по биомассе и культуральной жидкости. Специальные цели хемостатной культуры.

курсовая работа [334,2 K], добавлен 20.12.2012

Случаи протекания процесса роста ассоциации двух микроорганизмов: свободная и контролируемая конкуренция. Продукт одного вида как субстрат для другого. Пример взаимодействия хищников и жертвы. Методы определения количества клеток под микроскопом.

реферат [865,8 K], добавлен 10.06.2009

Питательные среды в микробиологии, их классификация и разновидности, сферы и особенности использования. Культивирование аэробных и анаэробных микроорганизмов. Методы количественного учета микроорганизмов, основные правила и условия хранения их культур.

реферат [24,6 K], добавлен 25.03.2013

Изучение морфолого-физиологических свойств чистых культур целлюлозолитических микроорганизмов. Изучение усвоения углеводов: сорбита, сахарозы, маннита, лактозы, мальтазы, глюкозы. Посев на среду Гисса. Методы выделения культуры бактерий из короедов.

реферат [1012,3 K], добавлен 11.03.2012

Исследование основных типов микроорганизмов: бактерий, грибов и водорослей. Анализ условий, необходимых для роста микроорганизмов. Механизм образования микробиологических отложений. Изучение методов микробиологического тестирования и приборов мониторинга.

презентация [707,5 K], добавлен 23.10.2013

Источник