Croissance microbienne

Croissance microbienne

Comme discuté dans les niveaux bleu/vert de ce chapitre, les cellules microbiennes utilisent des nutriments pour la croissance, la production d’énergie et la formation de produits, comme indiqué dans l’expression suivante;

Nutriments + cellules microbiennes >croissance cellulaire + énergie + produits de réaction

Considérez le fonctionnement du système « Batch » présenté à la figure 1. Ce récipient contient initialement une concentration connue de substrat de croissance S. Le récipient est bien mélangé et donc la concentration d’oxygène dissous O2 ne devient pas un facteur limitant pour la croissance microbienne. Au départ, une concentration connue X de cellules microbiennes viables (c’est-à-dire l’inoculum) est ajoutée au récipient et, avec le temps, le substrat de croissance S est utilisé pour la croissance cellulaire. On observera donc au fil du temps une diminution de S (dS/dt négatif) et une augmentation correspondante de X (dX/dt positif).

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

Figure 1. Croissance microbienne et utilisation du substrat dans un récipient batch bien mélangé.

Un tracé conceptuel de la concentration des cellules microbiennes en fonction du temps pour le système batch est appelé courbe de croissance, comme le montre la figure 2.

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

Figure 2. Courbe de croissance typique d’un système discontinu.

En traçant le logarithme de la concentration de cellules viables, X, avec le temps, cinq phases distinctes de la courbe de croissance peuvent être identifiées ; 1) la phase de latence qui se produit immédiatement après l’inoculation et qui persiste jusqu’à ce que les cellules se soient acclimatées à leur nouvel environnement, 2) la phase de croissance exponentielle, pendant laquelle la croissance cellulaire se déroule à un rythme exponentiel (indiquée par une ligne droite sur le tracé semi-logarithmique), 3) une phase de décélération, lorsque les nutriments essentiels sont épuisés ou que les produits toxiques commencent à s’accumuler, 4) une phase stationnaire pendant laquelle la croissance cellulaire nette est approximativement nulle, et 5) la phase de mort où certaines cellules perdent leur viabilité ou sont détruites par lyse.

Cinétique de la croissance microbienne

Pendant la phase de latence, dX/dt et dS/dt sont essentiellement nuls. Cependant, lorsque la phase de croissance exponentielle commence, il est possible de mesurer les valeurs de dX/dt et dS/dt qui sont très utiles pour définir d’importants paramètres cinétiques microbiens. En utilisant les observations correspondantes de dS/dt et dX/dt obtenues juste après le début de la phase de croissance exponentielle dans la figure 2, nous pouvons calculer le coefficient de rendement YXS et le taux de croissance spécifique µ comme :

Coefficient de rendement

Taux de croissance spécifique

Le coefficient de rendement, communément appelé rendement substrat-biomasse, est utilisé pour convertir entre le taux de croissance cellulaire dX/dt et le taux d’utilisation du substrat dS/dt. Le coefficient de rendement et le taux de croissance spécifique utilisés pour développer trois types de relations cinétiques de croissance microbienne ; Monod , premier ordre ,et cinétique d’ordre zéro.

Cinétique de Monod

L’expérience en lot présentée dans la figure 1 peut être répétée en faisant varier la concentration initiale de substrat S sur une large gamme de valeurs- ce qui entraîne l’observation de valeurs µ individuelles qui correspondent à chaque concentration de substrat. Un tracé arithmétique de µ en fonction de S présentera le comportement général illustré à la figure 3.

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

Figure 3. Taux de croissance spécifique tracé par rapport à la concentration initiale de substrat dans un système de lot.

L’expression la plus utilisée pour décrire le taux de croissance spécifique en fonction de la concentration en substrat est attribuée à Monod (1942, 1949). Cette expression est la suivante :

Figure 4. Montre conceptuellement comment l’équation de Monod est ajustée aux données observées sur le substrat et le taux de croissance spécifique de la figure 3. Dans la figure 4, on voit que µmax est le taux de croissance spécifique maximal observé et KS est la concentration de substrat correspondant à 1/2 µmax.

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

Figure 4. Ajustement de l’équation de Monod aux données observées.

Cinétique de Monod

En combinant les équations 2 et 3, nous pouvons écrire l’expression suivante pour le taux de changement temporel de la biomasse :

De même, en combinant les équations 1 et 3, nous pouvons écrire une expression pour le taux d’utilisation du substrat.

Cinétique du premier ordre

L’équation 5 décrit la relation cinétique de Monod pour l’utilisation du substrat. D’après la figure 4, on peut voir que si S << KS , l’équation 5 peut être approchée comme suit :

L’équation 6 décrit la condition où l’utilisation du substrat est proportionnelle à la concentration du substrat (c’est-à-dire du premier ordre par rapport à S).

Cinétique d’ordre zéro

De même si S >> KS L’équation 5 peut être approchée comme:

L’équation 7 décrit la condition où le taux d’utilisation du substrat est une constante (c’est-à-dire d’ordre zéro par rapport à S).