Růst mikrobů

Růst mikrobů

Jak je uvedeno v modrých/zelených úrovních této kapitoly, mikrobiální buňky využívají živiny k růstu, produkci energie a tvorbě produktů, jak je uvedeno v následujícím vyjádření;

Živiny + mikrobiální buňky > růst buněk + energie + reakční produkty

Podívejte se na fungování systému „Batch“ znázorněného na obrázku 1. Tato nádoba zpočátku obsahuje známou koncentraci růstového substrátu S. Nádoba je dobře promíchána, a proto se koncentrace rozpuštěného kyslíku O2 nestává limitujícím faktorem pro mikrobiální růst. Zpočátku se do nádoby přidá známá koncentrace X životaschopných mikrobiálních buněk (tj. inokula) a postupem času se růstový substrát S využívá pro růst buněk. Proto budeme v průběhu času pozorovat pokles S (záporné dS/dt) a odpovídající nárůst X (kladné dX/dt).

Povolení

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Obrázek 1. Mikrobiální růst a využití substrátu v dobře promíchané dávkové nádobě. Růst mikrobů a využití substrátu v dobře promíchané dávkové nádobě.

Konceptuální graf závislosti koncentrace mikrobiálních buněk na čase pro dávkový systém se nazývá růstová křivka, jak je znázorněno na obrázku 2.

Povolení

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Obrázek 2. Typická růstová křivka pro dávkový systém.

Vykreslením logaritmu koncentrace životaschopných buněk, X, s časem lze identifikovat pět různých fází růstové křivky; 1) lagová fáze, která nastává bezprostředně po inokulaci a trvá, dokud se buňky neaklimatizují v novém prostředí, 2) exponenciální růstová fáze, během níž růst buněk probíhá exponenciální rychlostí (vyznačena přímkou na semilogovém grafu), 3) decelerační fáze, kdy jsou vyčerpány základní živiny nebo se začnou hromadit toxické produkty, 4) stacionární fáze, během níž je čistý růst buněk přibližně nulový, a 5) fáze smrti, kdy některé buňky ztratí životaschopnost nebo jsou zničeny lýzou.

Kinetika mikrobiálního růstu

Během lag fáze jsou dX/dt a dS/dt v podstatě nulové. Jakmile však začne exponenciální fáze růstu, je možné měřit hodnoty dX/dt a dS/dt, které jsou velmi užitečné pro definování důležitých mikrobiálních kinetických parametrů. Na základě odpovídajících pozorování dS/dt a dX/dt získaných těsně po začátku exponenciální fáze růstu na obrázku 2 můžeme vypočítat koeficient výtěžnosti YXS a specifickou rychlost růstu µ jako:

Koeficient výtěžnosti

Specifická rychlost růstu

Koeficient výtěžnosti, běžně označovaný jako výtěžnost substrátu na biomasu, se používá k převodu mezi rychlostí růstu buněk dX/dt a rychlostí využití substrátu dS/dt. Koeficient výtěžnosti a specifická rychlost růstu se používají k vytvoření tří typů kinetických vztahů mikrobiálního růstu: Monodova kinetika , kinetika prvního řádu a kinetika nulového řádu.

Monodova kinetika

Dávkový experiment znázorněný na obrázku 1 lze opakovat změnou počáteční koncentrace substrátu S v širokém rozsahu hodnot – výsledkem je pozorování jednotlivých hodnot µ, které odpovídají každé koncentraci substrátu. Aritmetický graf závislosti µ na S bude vykazovat obecné chování znázorněné na obrázku 3.

Povolení

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Obrázek 3. Graf specifické rychlosti růstu v závislosti na počáteční koncentraci substrátu ve vsádkovém systému.

Nejpoužívanější výraz pro popis specifické rychlosti růstu jako funkce koncentrace substrátu je připisován Monodovi (1942, 1949). Tento výraz je následující:

Obrázek 4. Koncepčně ukazuje, jak Monodova rovnice odpovídá pozorovaným údajům o substrátu a specifické rychlosti růstu na obrázku 3. Na obrázku 4 je vidět, že µmax je maximální pozorovaná specifická rychlost růstu a KS je koncentrace substrátu odpovídající 1/2 µmax.

Povolení

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Obrázek 4. Obrázek 4: Jaké jsou výsledky studie? Přizpůsobení Monodovy rovnice pozorovaným údajům.

Monodova kinetika

Kombinací rovnic 2 a 3 můžeme napsat následující výraz pro časovou rychlost změny biomasy:

Podobně kombinací rovnic 1 a 3 můžeme napsat výraz pro rychlost využití substrátu.

Kinetika prvního řádu

Rovnice 5 popisuje Monodův kinetický vztah pro využití substrátu. Z obrázku 4 je patrné, že pokud S << KS , lze rovnici 5 aproximovat jako:

Rovnice 6 popisuje stav, kdy je využití substrátu úměrné koncentraci substrátu (tj. prvního řádu vzhledem k S).

Kinetika nulového řádu

Podobně, jestliže S >> KS Rovnici 5 lze aproximovat jako:

Rovnice 7 popisuje podmínku, kdy je rychlost využití substrátu konstantní (tj. nulový řád vzhledem k S)

.