Периодический рост культуры микроорганизмов

Популяция обеспечивается питательной средой; в ней создаются оптимальные условия для роста. Если в процессе культивирования не вносить дополнительные питательные компоненты и не выводить биомассу и продукты метаболизма вместе со средой, то рост популяции будет протекать по S-образной кривой. Это и есть так называемая периодическая или статическая культура. На рис. 10.1 изображена S-образная логарифмическая кривая роста популяции и условно определены границы между фазами роста, постепенно переходящими одна в другую.

S-образная кривая роста популяции микроорганизмов и фазы роста

Рис. 10.1. S-образная кривая роста популяции микроорганизмов и фазы роста: а — изменение логарифма массы или численности популяции во времени (/ — лаг-фаза; 2 — фаза ускорения роста; 3 — экспоненциальная фаза; 4 — фаза замедления роста; 5 — стационарная фаза; 6 — фаза отмирания); б — соответствующие изменения удельной скорости роста популяции

Лаг-фаза (начальная фаза) относится к промежутку времени, в течение которого плотность популяции или концентрация биомассы, внесенной в свежую питательную среду, не изменяется. В некоторых случаях наблюдается даже некоторое снижение концентрации биомассы. В период лаг-фазы размер клеток увеличивается, в них активно протекают биохимические процессы, связанные с подготовкой к началу размножения. Длительность лаг-фазы зависит от доброкачественности питательной среды, условий культивирования, свойств и физиологической активности микроорганизмов, количества посевного материала и ряда других факторов.

Фаза ускорения роста относится к небольшому периоду увеличения удельной скорости роста популяции от нулевой до максимальной удельной скорости ртах.

Экспоненциальная или логарифмическая фаза (лог-фаза) характеризуется уравновешенной скоростью роста микроорганизмов. Развитие популяции в этой фазе не лимитируется питательными веществами и не тормозится ингибирующими продуктами жизнедеятельности. Размер клеток и их химический состав меняются несущественно. Логарифм численности популяции или концентрации биомассы увеличивается с постоянной скоростью. В период лог-фазы удельная скорость роста является максимальной и в большинстве случаев остается на одном уровне (рис. 10.1).

Рост плотности популяции или увеличение концентрации биомассы в этой фазе описывается уравнением: х = х0е^тах

При логарифмировании этой формулы получается следующее выражение: 1пх = |0.тах/ + 1пх0, где х0 — концентрация биомассы в начале лог-фазы.

На S-образной кривой это выражение в координатах lgx и t дает прямую линию, угол наклона которой зависит от свойств культуры, качества питательной среды, условий культивирования и других факторов. В связи с тем, что в период лог-фазы |imax практически не изменяется, ее легко найти в любой промежуток времени в этой фазе по формуле

где X) и х2 концентрации биомасс (находятся экспериментально) соответственно в моменты времени t и t2.

В периодической культуре лог-фаза не может быть бесконечной вследствие снижения концентрации питательных веществ в среде и накопления продуктов метаболизма, ингибирующих развитие популяции. Поэтому популяция переходит в фазу замедленного или отрицательного ускорения роста. В этой фазе небольшая часть особей прекращает развитие, другая часть продолжает рост, но медленнее по сравнению с лог-фазой. По мере потребления питательных веществ концентрация биомассы продолжает расти, однако удельная скорость роста популяции снижается и популяция переходит в стационарную фазу развития. В этой фазе скорость роста всех клеток популяции постепенно снижается до нуля, концентрация биомассы не возрастает и к концу фазы уменьшается. Популяция постепенно переходит в фазу ускоренного (логарифмического) отмирания. Эта фаза сопровождается уменьшением общего числа особей и концентрации биомассы вследствие автолиза клеток.

Все фазы развития микробной популяции необходимо рассматривать как постепенно переходящие одна в другую, границы которых определены условно [5, 32].

 
Посмотреть оригинал