Клеточная инженерия — одно из наиболее важных направлений в биотехнологии, объектами которой являются микробы (бактерии, вирусы, протозойные организмы), а также клетки (ткани) растений, животных и человека. Воспроизведение микроорганизмов при использовании различных по составу и свойствам питательных сред (in vitro) или в условиях обитания восприимчивого организма называется культивированием. Культивирование микроорганизмов в условиях in vitro получило название промышленного культивирования, а культивирование клеток и тканей растений и животных — культивированием изолированных клеток и тканей.
При промышленном культивировании процесс микробного синтеза, как правило, является частью многостадийного производства, в результате которого получают как целевой товарный продукт биосинтеза (дрожжи, кормовой белок, незаменимые аминокислоты и др.), так и «сырой» продукт, подлежащий дальнейшей переработке (сгусток казеина и др.).
Метод культивирования изолированных эукариотических клеток и тканей в условиях in vitro используют в биотехнологии для сохранения и размножения ценных генотипов, эмбриогенезе, оздоровлении посадочного материала, а также для получения продуктов вторичного синтеза (алколойды, стеройды, гликозиды, гормоны, эфирные масла и др.).
Таким образом, клеточная биотехнология базируется на способности клеток к существованию и размножению in vitro, их тотипотентности и регенерации. Применение этих особенностей раскрыло большие возможности в решении глобальных теоретических и практических задач. В области фундаментальных наук стало осуществимым исследование таких сложных проблем, как взаимодействие клеток в тканях, клеточная дифференцировка, морфогенез, реализация тотипотентности клеток, механизмы появления раковых клеток и др.
1. Особенности технологии промышленного культивирования микроорганизмов
Для осуществления любого биотехнологического процесса необходимы:
- культура микроорганизмов;
- питательная среда;
- аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций;
- средства контроля и управления процессом.
Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные характеристики производства препаратов. На стадии культивирования осуществляется накопление, как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микроорганизмов. Так, при производстве бактериальных препаратов целевым продуктом является сама биомасса, в других случаях продукты, синтезируемые клеткой, — антибиотики, ферменты, аминокислоты и др. При этом синтезируемый продукт может накапливаться как внутри клеток, так и выделяться в культуральную смесь. В том случае, когда культура растет на поверхности жидкой или плотной питательной среды, потребляя содержащиеся в ней субстраты и выделяя в эту среду продукты метаболизма, способ культивирования называют поверхностным. Когда же микроорганизмы распределяются по всему объему жидкой питательной среды, культивирование называют глубинным (жидкофазным).
Культивирование микроорганизмов
... продукты обмена, т.е. условия существования микроорганизмов изменяются. Периодическую культуру обычно рассматривают как замкнутую систему, переживающую разные фазы развития. микроорганизм культивирование питательный Лаг-фаза - это фаза «привыкания» клеток ... два основных способа культивирования микроорганизмов - периодическое и непрерывное. При периодическом культивировании клетки помещают в закрытый ...
В таком случае кислород поступает к клеткам в результате интенсивной операции перемешивания. Последний способ наиболее широко применяется в настоящее время в производстве большинства препаратов по следующим причинам:
1. Позволяет получить большое количество бактериальной массы за короткое время. Так, при культивировании микроорганизмов группы кишечной палочки в условиях состояния покоя количество микробов не превышает 1-2 млрд./см-3, а при применении принудительной аэрации урожайность достигает 50-60.
2. Процесс легко управляем. С целью длительного поддержания роста и размножения микроорганизмов в процессе их культивирования дополнительно вводят углеродные и азотистые соединения, а при необходимости и другие стимуляторы роста. Данный способ также позволяет легко корректировать рН среды в процессе культивирования.
3. Процесс максимально технологичен. Технологический процесс глубинного выращивания микроорганизмов в реакторах (ферментерах) складывается из следующих этапов:
- отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними;
- приготовление посевной микробной культуры;
- приготовление и стерилизация питательных сред;
- подготовка биореактора к посеву;
- выращивание микроорганизмов в реакторе и контроль над процессом культивирования. Кроме того, он включает ряд вспомогательных операций:
- стерилизацию оборудования и коммуникаций;
- приготовление и стерилизацию пеногасителей, растворов и др.
Остановимся на каждом из этапов культивирования.
2. Отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними
Эталонные штаммы микроорганизмов хранятся и поддерживаются на заданном уровне во ВГНИКИ (Всесоюзный государственный научно-исследовательский институт клеточной инженерии) ветеринарных препаратов. Эти штаммы, в свою очередь, являются производственными, поскольку на их основе готовятся вакцины. Наряду с производственными и эталонными штаммами во ВГНИКИ хранятся контрольные штаммы, которые используют для оценки качества вакцинных препаратов. Эти штаммы должны быть генетически однородными популяциями микроорганизмов со стабильными морфологическими, специфическими и биологическими свойствами. Основными требованиями к этим штаммам являются их высокие антигенные и иммуногенные свойства.
Производственные, эталонные штаммы должны сохранять генетическую стабильность антигенных, иммуногенных и других присущих им биологических свойств на протяжении 10-20 последовательных пересевов как in vivo, так и in vitro.
Приготовление посевной микробной культуры. Обычно производственное культивирование микроорганизмов осуществляется в больших объемах. Поэтому вначале из имеющегося эталонного штамма микроорганизма, находящегося, как правило, в лиофильно высушенном состоянии в ампуле, делают посевы в небольшие емкости, например, во флаконе емкостью 100-200 см3, заполненные по 50-150 мл производственной средой. Затем из флаконов делают высевы в большие емкости (бутыли объемом 18-20 л).
Технология приготовления блюда «Борщ Сибирский»
... очищают, нарезают соломкой или ломтиком, и кладут в борщ вмести с пассерованными овощами и томатным пюре. 2. Технология приготовления Борщ сибирский: 400 г (1 шт. крупная) свеклы 200 ... которых обязательно входит свекла. По составу продуктов, способу приготовления и вкусу ассортимент борщей разнообразен. Кроме свеклы, в состав борщей входит: морковь, петрушка или сельдерей, лук, томатное пюре ...
При хорошем накоплении микроорганизмов такую культуру вносят в реактор и называют посевной (маточной) культурой. При этом нужно предварительно рассчитать необходимое количество посевной культуры для производственного культивирования микроорганизмов исходя из посевной дозы, которая обычно составляет от 1 до 10% по объему. Посевные микробные культуры также контролируются на сохранение ими типичных морфологических, культурально-биохимических, антигенных и иммуногенных свойств, а также на отсутствие в них посторонней микрофлоры (ПМФ).
Приготовление и стерилизация питательных сред. Основополагающим принципом конструирования питательных сред является их полноценность, поскольку в процессе роста микроорганизмы потребляют из окружающей питательной среды целый ряд разнообразных химических веществ, составляющих основу энергетического и конструктивного обмена в клетках. К основным компонентам, формирующим клеточное вещество, относятся: углерод, азот, кислород и водород. Содержание этих элементов в различных микроорганизмах практически постоянно.
В результате разнообразия микроорганизмов, по-разному использующих углерод и азот, одинаково пригодных (универсальных) питательных сред для роста всех без исключения микроорганизмов и клеток не существует. Их специфичность зависит от содержания в них углерода и азота. В зависимости от типов используемых азотистых соединений микроорганизмы разделяются на две группы:
1. Протеолитические, т.е. расщепляющие высокомолекулярные белковые вещества и пептиды.
2. Дезаминирующие, требующие присутствия в среде готовых аминокислот, расщепление которых сопровождается выделением аммиака.
Считается, что питательные среды должны быть сбалансированы по содержанию таких органических веществ, как аминокислоты, витамины, жирные кислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, гормоны и др., добавление которых в очень незначительных количествах стимулирует рост и размножение микроорганизмов. Очень часто микроорганизмы и клетки нуждаются во многих природных аминокислотах, которые являются универсальными компонентами питания. Они целиком включаются в структуру клетки. Из всех незаменимых аминокислот ключевая роль принадлежит глютамину и аргинину, которые имеют принципиальное значение для обезвреживания токсичных метаболитов незаменимых аминокислот и аммиака. Также необходимым компонентом питательных сред являются неорганические соли, которые определяют необходимое осмотическое давление среды, величину рН и буферную емкость.
Другим наиболее важным принципом конструирования питательных сред является выбор сырьевых источников. Определяющую роль в данном вопросе играют, прежде всего, биохимические показатели состава сырья, от которого зависит выбор способа и режимов его переработки с целью наиболее полного и эффективного использования содержащихся в нем питательных веществ. Для получения питательных сред с особо ценными свойствами применяют прежде всего традиционные источники белка животного происхождения: мясо крупного рогатого скота, казеин, рыбу и продукты ее переработки.
Микроорганизмы как индикаторы загрязнения окружающей среды
... микроорганизмы обитают в трехфазной полидисперсной среде, представленной твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенная вода) и газообразной (почвенный воздух) ... на 4 группы: сильнодействующие препараты, высокотоксичные, среднетоксичные, малотоксичные. Наиболее выраженным токсическим действием ... попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках ...
Их удельный вес составляет до 80%. Наиболее широко применяются питательные среды на основе мяса крупного рогатого скота. Также широкое распространение получила рыбная костная мука (РКМ), удовлетворяющая требованиям биологической ценности, доступности и относительной стандартности. Питательные среды на основе казеина содержат все компоненты, имеющиеся в молоке: жир, лактозу, витамины, ферменты и соли. Однако в результате удорожания продуктов переработки молока применение таких сред носит ограниченный характер.
Из непищевых источников белка животного происхождения в качестве сырья используются кровь убойных животных, селезенка, плацента, эмбрионы домашних животных, творожная сыворотка, мягкие ткани моллюсков и ластоногих и др.
Удельный вес непищевого сырья в технологии конструирования питательных сред составляет всего 15%. В целом питательные среды, приготовленные из сырья животного происхождения, имеют высокое содержание основных питательных компонентов, являются полноценными и сбалансированными по аминокислотному составу и достаточно хорошо изучены.
Следует учитывать, что рыбная и костная мука, а также отходы животного происхождения, во все большем объеме направляются на получение пищевых белков, поэтому требуются полноценные их заменители, способные сбалансировать недостаток белков и незаменимых аминокислот. В результате изучения различных микроорганизмов было выявлено, что высокой интенсивностью синтеза белков отличаются микробные клетки, такие как дрожжи, бактерии и др.
Аминокислотный состав микроорганизмов, служащих субстратом для приготовления питательных сред, хорошо изучен, а биомасса используемых микроорганизмов является полноценной по составу питательных веществ (до 60% сухой массы белков) и характеризуется повышенным содержанием лизина и треонина.
Из продуктов растительного происхождения в качестве белкового субстрата можно использовать кукурузу, сою, горох, картофель, люпин и др. Однако растительное сельскохозяйственное сырье содержит белок, несбалансированный состав которого зависит от условий выращивания культур, а также липиды в больших количествах, чем продукты животного происхождения.
В настоящее время нашей биологической промышленностью на основе гидролиза растительного сырья производится значительный объем кормового белка для сельского хозяйства.
В качестве исходного сырья для производства кормового белка могут использоваться самые дешевые источники, такие как отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, пивная дробина, верховой малоразложившийся торф, барда спиртовых производств, отходы кондитерской и молочной промышленности.
Кроме того, в России (в 1971 г.) и некоторых других нефтедобывающих странах разрабатываются технологии получения кормовых дрожжей из н-парафинов нефти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источников углерода для их роста неразветвленные углеводороды с числом углеродных атомов от 10 до 30.
Наряду с получением кормовых дрожжей большое значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60-80% от сухой массы. Здесь в качестве сырья используются газообразные продукты, содержащие метан.
Микроорганизмы в круговороте веществ в природе
... которых в пищу развивается пищевая токсикоинфекция. Микрофлора воздуха Микрофлора воздуха взаимосвязана с микрофлорой почвы и воды. В воздух также попадают микроорганизмы из дыхательных путей и с каплями ... составе органических веществ почвы. Микрофлора воды Микрофлора воды, являясь естественной средой обитания микроорганизмов, отражает микробный пейзаж почвы, так как микроорганизмы попадают в воду с ...
3. Подготовка биореакторов к посеву и выращивание микроорганизмов
При культивировании микроорганизмов чаще всего применяется способ глубинного выращивания в специальных аппаратах — ферментерах. В простерилизованный термическим способом ферментер подается заранее измельченное, охлажденное и отстоянное сырье, которое в данном ферментерном цехе подвергнется кислотному гидролизу при повышенном давлении и температуре, в результате чего 60-65% содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов. Ферментер для выращивания дрожжей и бактериальных клеток в жидкой питательной среде представлен на рис. 1.
Рис. 1. Ферментер для выращивания микроорганизмов в жидкой питательной среде: 1 — корпус ферментера; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — теплообменник; 4 — подача холодной воды в теплообменник; 5 — вывод теплой воды из теплообменника; 6 — подача посевной культуры; 7 — подача жидкой питательной среды; 8 — подача воздуха для аэрации и перемешивания питательной среды; 9 — кювета для направления потока воздуха во внутреннюю полость теплообменника; 10 — выход микробной суспензии по окончании ферментации; 11 — выход воздуха в атмосферу через очистной фильтр
Представленный выше ферментер обеспечивает режим постоянного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях поддержания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточного тепла.
Рабочий цикл выращивания культуры микроорганизмов длится около 20 часов. Например, при оптимальных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно получить 200 кг кормовых дрожжей. По окончании рабочего цикла культуральная жидкость вместе с суспендированными в ней клетками микроорганизмов выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых или бактериальных клеток для выращивания. Выведенная из ферментера суспензия далее подается на флотационную установку, с помощью которой производится отделение биомассы от культуральной жидкости. После отстаивания микробная масса концентрируется с помощью сепаратора. Для достижения лучшей перевариваемости дрожжей и бактериальных клеток в организме животных проводится специальная обработка микробных клеток (механическая, ультразвуковая, термическая, ферментативная), обеспечивающая разрушение их клеточных оболочек. Затем микробная масса упаривается до необходимой концентрации и высушивается до влажности 8-10%. В полученной сухой дрожжевой массе содержится 40-60% сырого белка, 25-30% усвояемых углеводов, 3-5% сырого жира, 6-7% клетчатки и зольных веществ, а также большое количество витаминов (до 50 мг).
Посредством обработки дрожжей ультрафиолетовыми лучами проводится их обогащение витамином D2, который образуется из содержащегося в них эргостерина. Бактериальные белковые концентраты содержат в среднем 60-80% сырого белка от сухой массы. Коммерческое название препарата, полученного на основе метанола — «Меприн», он содержит в своем составе до 70-74% от сухой массы белков, до 5% липидов, около 10% минеральных веществ, 10-13% нуклеиновых кислот. При этом наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas и др. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые белковые вещества выпускают в гранулированном виде. Культивирование бактериальных клеток на газообразных питательных средах отличается следующими особенностями. Процесс ферментации при выращивании микроорганизмов на газообразных углеводородах представлен на рис. 2.
Исследований …………………………………………………………………5 ...
... ее от других плодовых культур. Большинство сортов яблони высокоадаптивны: зимостойки, засухоустойчивы, жаростойки, скороплодны, урожайны, менее требовательны к условиям выращивания. Многообразие сортов позволяет ... Шамаева, 2009]. Плоды многих сортов отличаются вкусовыми качествами и лечебными свойствами. Питательные достоинства яблок обусловлены содержанием углеводов (15 – 19 %), белков, жиров, ...
Рис. 2. Процесс ферментации при выращивании микроорганизмов на газообразных углеводородах: 1 — корпус ферментера; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — мешалка; 4 — привод мешалки; 5 — подача газообразных углеводородов; 6 — подача кислородсодержащего газа; 7 — подача жидкой питательной смеси; 8 — подача посевной культуры; 9 — выход микробной суспензии по окончании ферментации; 10 — выпуск газа из ферментера; 11 — выход газовой смеси на рециркуляцию; 12 — газоанализатор, подающий сигнал на регулирующее устройство клапана; 13 — регулятор давления внутри ферментера; 14 — улавливатель углекислого газа
В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается рециркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэрации культуры бактерий производится продувка ферментера воздухом или кислородом. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные при оптимальных условиях утилизировать до 85-90% подаваемого в ферментер метана. Все технологические линии, связанные с культивированием бактерий в газовой среде, требуют точного контроля состава этой среды и оснащения производственных установок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием. По окончании ферментации клетки бактерий подвергаются такой же технологии обработки, как и дрожжевые клетки.
В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взрывоопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требуется постоянная рециркуляция, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и дорогим.
4. Технология культивирования микроорганизмов в покоящемся состоянии без аэрации
Некоторые организмы относятся к группе микроаэрофильных (возбудители бруцеллёза, лептоспироза, кампилобактериоза и др.), не требующие принудительной аэрации питательной среды, в которой они выращиваются. Применяют баллонный и реакторный способы культивирования.
Баллонный способ, в частности для культивирования лептоспир, заключается в том, что микробные культуры лептоспир каждого серологического варианта выращиваются в 16-литровых стеклянных баллонах с 10-12 л сывороточной или альбуминносывороточной (производственной) средами при температуре 27-280єС в течение 5-7 суток.
Технология промышленного культивирования анаэробных микроорганизмов. К анаэробным микроорганизмам относятся такие, которые способны жить и размножаться при отсутствии атмосферного кислорода. В силу биологических особенностей анаэробов методы культивирования их в промышленности имеют свои особенности.
1. При культивировании анаэробных микроорганизмов нужно в реакторах создать условия полного вытеснения из питательной среды свободного кислорода. Это достигается путём заполнения анаэро(бо)статов газовой смесью водорода и двуокиси углерода, а остаточный кислород может быть удалён путём каталитического связывания с воздухом. Анаэробные условия могут быть достигнуты также добавлением в среду восстанавливающих агентов, таких как цистеина и сульфида натрия, аскорбиновой кислоты.
Использование полезных микроорганизмов
... микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур ... В зависимости от того, в какой форме микроорганизмы получают из окружающей среды ... для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из ... микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста ...
2. Степень анаэробиоза определяется окислительно-восстановительным потенциалом (Eh).
Для этих целей в среду вводят окислительно-восстановительные индикаторы, чаще всего используют резазурин (диазорезоурин) — 10-4ч.-л-1, меняющий цвет от сине-розового до бесцветного. Бесцветное состояние достигается при Eh около 100 мВ и указывает на наличие анаэробных условий.
3. При культивировании анаэробов необходимо постоянно корректировать рН среды, поддерживая её в пределах 7,2-7,8. В процессе роста анаэробов рН среды очень быстро снижается в кислую сторону, что приводит к ингибированию их роста.
5. Периодические и хемостатные системы культивирования микроорганизмов
культивирование микроорганизм штамм биореактор
При глубинном выращивании микроорганизмов их культуры могут находиться в периодических, или «закрытых», и хемостатных (непрерывных), или «открытых», системах. Закрытой называют такую систему (культуру), когда хотя бы один из компонентов питательной среды или она вся может ни проступать в систему, ни покидать её. В такой системе скорость роста микроорганизмов должна после ускорения стремиться к нулю из-за недостатка субстрата или по причине гибели микробных клеток вследствие накопления продуктов метаболизма. Следовательно, периодические культуры микроорганизмов находятся в неустойчивом состоянии.
Открытая (хемостатная) система — это система, когда все питательные компоненты могут поступать в реактор, в котором выращивается тот или иной микроорганизм, и удаляться из реактора в виде продуктов синтеза микроорганизмов (антибиотики, витамины, ферменты и т.д.) или биомассы самих микроорганизмов.
При этом скорость поступления питательной среды в реактор и удаление из него продуктов синтеза или биомассы можно регулировать в нужной нам среде размножения микроорганизмов.
Периодическое культивирование микроорганизмов. В периодическом состоянии динамика роста и размножения микроорганизмов в жидкой питательной среде обладает рядом особенностей, общих для бактерий, актиномицетов, микроскопических грибов, микоплазм.
При индивидуальном развитии им свойственна высокая скорость размножения. Развитие происходит в виде последовательных фаз, характер и продолжительность которых зависят от физиологического состояния клеток, определяемого, в свою очередь, условиями разнообразных факторов среды, в которой развивается популяция того или иного организма.
Другими словами, фазы роста микроорганизма отражают количественные и качественные изменения в их биомассе и окружающей среде. В простой гомогенной периодической культуре микроорганизмов выделяют от 4 до 8 и даже до 16 фаз. Рост микробной популяции изображают обычно графиками, откладывая на оси абсцисс время роста, а на оси ординат — число микробных клеток (рис. 3).
Рис. 3. Рост микробной популяции при периодическом культивировании
Каждая фаза приведённого графика является суммированным выражением размножения и отмирания клеток в микробной популяции. Поскольку микробные клетки делятся в различном темпе, то представленная на графике кривая нарастания их числа в начале и уменьшения числа живых клеток в конце роста имеет вид пологой линии. Форма этой кривой (S-образная) является универсальной, и не зависят от вида микроорганизмов и условий культивирования. Каждая из указанных на графике (рис. 3) фаз роста и размножения характеризуется следующим образом:
Средства защиты окружающей среды от вредных факторов
... частом изменении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться для выработки ... основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами в среде очищаемых газов. При ...
а) исходная фаза (лаг-фаза или инукционный период) является фазой задержки роста, когда размножение микробных клеток не происходит.
Данная фаза характеризуется отсутствием роста клеток. В этот период посевная культура приспосабливается к изменившимся внешним условиям и вырабатывает ферменты, необходимые для роста на данной питательной среде. В лаг-фазе в клетках культуры происходят значительные качественные изменения: возрастает количество нуклеиновых кислот, в первую очередь РНК, активизируются одни ферменты и синтезируются другие. Продолжительность лаг-фазы зависит от следующих факторов:
- от состава питательной среды: если питательная среда по составу мало отличается от среды, на которой росла посевная культура, лаг-фаза может практически отсутствовать;
- от качества посевного материала, а именно, количества в нем жизнеспособных клеток, их возраста, способа хранения;
- от посевной дозы.
б) период положительного ускорения роста.
Длительность этого периода для большинства микроорганизмов составляет 2 часа и зависит от температуры, состава питательной среды, качества посевного материала. Многие авторы эти две фазы рассматривают вместе. Число клеток остается постоянным по причине отсутствия в этот период клеточного деления. Общее состояние микробных клеток характеризуется как состояние приспособления к питательной среде. В этот период усиливается синтез вещества, клеток, они увеличиваются в размере, в них образуется большое количество индуцибельных ферментов.
в) фаза логарифмического (лог-фаза), или экспоненциального (показательного), роста.
Она характеризуется постоянной и максимальной скоростью роста клеток. Рост микробов в эту фазу происходит в геометрической прогрессии. Продолжительность этой фазы зависит:
- от запасов питательных веществ в среде;
- от условий аэрации;
- от перемешивания и др. факторов.
Для описания процессов роста микроорганизмов используют такие характеристики, как общая и удельная скорости роста биомассы (или числа клеток).
Другой важной характеристикой роста культуры является время генерации, за которое биомасса культуры удваивается. Время генерации из разных культур микроорганизмов сильно различается. Наиболее быстрорастущие бактерии при благоприятных условиях имеют период генерации — 20-25 мин. Продолжительность генерации в лог-фазе у разных микроорганизмов неодинакова. Так, для сальмонелл она равна 20-30 мин., для стрептококков и стафилококков — 25-35 мин., для эшерихий — 15-17 мин. На продолжительность генерации влияют температура, рН среды, состав среды и т.д. Высокая скорость развития микроорганизмов сохраняется на всей экспоненциальной стадии. Однако эта зависимость наблюдается в течение ограниченного времени. По мере роста культуры в среде постепенно потребляются питательные вещества, накапливаются продукты обмена, затрудняется транспорт питательных веществ (в первую очередь кислорода) и метаболитов вследствие увеличения плотности популяции.
Метаболизм как основа жизнедеятельности клетки
... гомеостаза. Процессы метаболизма происходят в соответствии с генетической программой клетки, реализуя ее наследственную информацию. Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ Человек и животные получают энергию за счет ... а также при силосовании кормов в животноводстве. Процесс превращения ПВК в клетках микроорганизмов и растений в устойчивые конечные продукты называют брожением. Так, дрожжевые грибки ...
г) фаза отрицательного ускорения.
В эту фазу скорость размножения замедляется, а время генерации увеличивается. Наступление данной фазы обусловлено истощением питательной среды и накоплением в культуральной жидкости токсических веществ, которые начинают ингибировать развитие культуры. Кроме того, в эту фазу происходит наивысшее накопление микробной массы в единице объема.
д) стационарная фаза роста, или максимума, на протяжении которой численность микробной популяции не уменьшается.
В эту фазу скорость размножения и отмирания клеток одинаковая. Концентрация живых клеток в данную фазу достигает максимума, и она называется М-концентрацией. В этой фазе сама биомасса микроорганизмов и продуктов их биосинтеза обладает наибольшей биотехнологической ценностью.
е) фаза отмирания микробной популяции.
Любая микробная популяция, растущая в сосуде с несменяемой средой, вступает после фазы стационарного роста в стадию отмирания. По скорости отмирания вначале устанавливают фазу ускоренного отмирания (VI), затем фазу постоянной скорости отмирания (VII) и фазу замедленной скорости отмирания (VIII).
Причинами отмирания микробной популяции являются истощение среды и накопление в ней большого количества токсичных продуктов метаболизма. В период стадии отмирания общее количество биомассы уменьшается, что чаще всего происходит за счет аутолиза. Продолжительность стадии отмирания у различных микроорганизмов неодинакова: у пневмококка она составляет 2-3 суток, у эшерихий — несколько месяцев. В этот период в культуре наблюдается значительное уменьшение клеток. У них уменьшается биохимическая и антигенная активность. Учитывая это, для изготовления ряда биопрепаратов отбирают культуры микроорганизмов чаще всего в фазе отрицательного ускорения роста или в начале стационарной фазы роста, когда концентрация живых микробных клеток приближается или равна М-концентрации.
Хемостатная культура, или метод непрерывного культивирования микроорганизмов. Хемостатная, или непрерывная, культура представляет собой поточную культуру тех или иных микроорганизмов. В таком случае возможность продления жизни микробной популяции поддерживается с помощью непрерывной подачи свежей среды и постоянного отбора микробной биомассы или образовавшихся продуктов метаболизма, т.е. можно культуру микроорганизма как бы зафиксировать в одной, например, стационарной, фазе роста и получить нужные продукты обмена или биомассу во времени столько, сколько требуется. Таким образом, максимальная производительность в хемостатной культуре всегда выше, чем максимальная производительность в периодической культуре. Нужно сказать, что до 50-х годов для культивирования микроорганизмов с целью их всестороннего изучения служила простая периодическая культура. Только с переходом к методу хемостатного культивирования обнаружился недостаток периодической культуры, которая не даёт полного представления обо всех изменениях, происходящих в клетке, и о влиянии внешних факторов на протекающие в ней процессы. Развитие хемостатного культивирования открыло возможность управлять процессом, контролируя рост и поведение микроорганизмов, а при необходимости вмешиваться в этот процесс, изменяя скорость роста до задаваемых пределов путём воздействия на такую культуру внешними факторами. В настоящее время интерес к непрерывному культивированию растёт как в нашей стране, так и за рубежом.
