Воздействие внешних факторов на рост микроорганизмов, физиологическая активность и экономический коэффициент

Рост микроорганизмов характеризуется двумя основными показателями:
1) Удельной скоростью
2) Количеством выросшей биомассы («урожаем» культуры)
Рост микроорганизмов – необратимое увеличение живой клеточной массы, приводящее к увеличению числа клеток микроорганизмов в результате размножения

(1)
Удельная скорость роста (µ) – это увеличение биомассы клеток в единицу времени. Удельную скорость μ определяют логарифмическим отношением количества биомассы m1 полученной за время t, к количеству субстрата m0
где, μ – удельная скорость роста
m1 - количество биомассы
m0 - количество субстрата
t - время
Величина удельной скорости роста определяется следующими лимитирующими фактором среды:
концентрацией одного из питательных веществ
накопившимися продуктами обмена
значением рН культуральной жидкости

Влияние среды на скорость роста
Фазы развития микробной культуры
I – лаг-фаза; II – фаза ускоренного роста; III – фаза логарифмического роста; IV – фаза замедленного роста; V – стационарная фаза; VI – фаза отмирания

Лаг-фаза
Лаг-фаза – это период от засева микроорганизмов до достижения максимальной удельной скорости роста.
В период лаг-фазы клетки:
● адаптируются к новым условиям, изменяя среду
● скорость роста культуры опережает скорость размножения: биомасса растет, а число
клеток остается постоянным
● интенсивно синтезируются адаптивные ферменты, нуклеиновые кислоты, белки,
увеличивается процент воды
Как только количество РНК в клетке достигнет достаточно высокого уровня, начинается ее деление. К концу лаг-фазы удельная скорость роста становится максимальной. Чем полноценнее среда, тем короче лаг-фаза.

Фаза ускоренного роста
► удельная скорость роста остается постоянной, а абсолютная скорость быстро
возрастает
► число клеток возрастает по экспоненте, а логарифм числа—линейно Фаза логарифмического роста
► резкое снижение удельной скорости роста, абсолютная скорость продолжает незначительно возрастать и достигает максимума
► количество клеток интенсивно возрастает, логарифм числа клеток незначительно увеличивается
Фаза замедленного роста
► относительная и абсолютная скорости роста падают
► прирост биомассы идет менее интенсивно Стационарная фаза
► количество живых клеток в культуре сохраняется постоянным, т. е. число вновь
образующихся клеток равно числу отмирающих Фаза отмирания
► абсолютная и относительная скорости роста становятся отрицательными величинами
► количество отмирающих клеток превышает количество образующихся
► начинается автолиз клеток, и биомасса культуры снижается

В 1950 г. Моно (Monod), Новик и Сцилярд показали, что между остаточной концентрацией питательного вещества, находящегося в минимуме, и удельной скоростью роста микроорганизмов существует зависимость, которую можно выразить уравнением Михаэлиса-Ментен
где, μm - предел к которому стремится μ по мере повышения остаточной концентрации лимитирующего рост вещества S Кm – константа, численно равная той концентрации вещества, при которой
скорость роста достигает половины предельной

Физиологическая активность – это количество питательных веществ, потребляемых единицей микробной биомассы за единицу времени или количество образующихся продуктов. Физиологическая активность очень непостоянна и зависит от скорости роста микроорганизмов, тогда a и b = const (формула 5). При a > b (формула 5), физиологическая активность высокая. В случае работы с возбудителями брожений этот показатель обычно называют «бродильной активностью», а при работе с аэробами – «дыхательной активностью».

Физиологическая активность (ԛ) характеризуется следующими уравнениями:
m - вес микробной биомассы
t– время
(3) S – количество потребляемых
веществ
Р – количество образовавшихся
продуктов
dS/dt и dP/dt - скорость
(4) потребления питательных
веществ или
скорость образования продуктов

Суммарная физиологическая активность (ԛ) складывается из двух величин:
(5)
где: μ – удельная скорость роста при μ=0 первый член уравнения также равен нулю, и физиологическая активность становится равной основному обмену
а - трофический коэффициент (затраты питательного вещества на образование единицы биомассы) b – коэффициент основного обмена (расход питательных веществ на поддержание жизни единицы биомассы в течение 1 часа)

Экономический коэффициент (Y) - прирост биомассы по отношению к потребленному субстрату. Он представляет собой частное от деления скорости роста на физиологическую активность микроорганизмов:
(6)
где: μ – удельная скорость роста
q – физиологическая активность микроорганизмов
а – трофический коэффициент (затраты питательного вещества на
образование единицы биомассы) b – коэффициент основного обмена (расход питательных веществ на поддержание жизни единицы биомассы в течение 1 часа)

Экономический коэффициент зависит от скорости роста (μ)
► при замедлении роста и уменьшения μ величина члена b/μ в знаменателе
уравнения (6) возрастает, а значение экономического коэффициента (Y)
уменьшается
►при полном прекращении роста и μ = 0, дробь b/μ становится бесконечно
большой величиной, а экономический коэффициент падает до нуля (Y = 0)

(7)
где, М – микробная биомасса
m0 - вес посевного материала ( М - m0 ) - прирост биомассы, «урожай»
S0 - концентрация питательного вещества в исходной среде S – его остаточная концентрация
Средний экономически коэффициент (Yср) – отношение прироста
биомассы к количеству потребляемых питательных веществ

Влияние питательной среды на урожай биомассы
♦ величина выросшей биомассы определяется концентрацией того из питательных веществ, которое находится в относительном
минимуме
♦ при повышении содержания этого вещества в среде, фактором
лимитирующим величину урожая культуры будет другой питательный
ингредиент
♦ при малых дозах лимитирующего питательного вещества биомасса обычно увеличивается пропорционально его количеству
♦ при повышенных концентрациях этого веществ прирост биомассы начинает отставать

Теория предельной численности клеток («концентрации М») Байль (Bail, 1924)
● каждой клетке необходимо определенное «жизненное пространство»
● бактерии могут размножаться и после достижения предельной численности
● часть клеток при этом отмирает и количество живых особей остается все время
постоянным
● более «слабым» расам бактерий требуется большее жизненное пространство, более «сильные» довольствуются меньшим пространством

«Диауксия» - явление вторичного роста, наблюдаемое в средах содержащих два однотипных питательных вещества, различающихся по своей усвояемости (например, два разных углевода)
■ сначала бактерии потребляют одно питательное вещество и рост их прекращается
■ через некоторое время, выработав адаптивный фермент, необходимый для потребления второго вещества, культура возобновляет свой рост
Рисунок. Двухфазный рост Escherichia coli (явление диауксии (двухфазного роста))