Культивирование микроорганизмов. У микроорганизмов также существует разделение на автотрофы и гетеротрофы

Типы питания.

У микроорганизмов также существует разделение на автотрофы и гетеротрофы. Критерием разделения является источник углерода. Автотрофы- ассимилируют углерод, как и растения, из углекислого газа, восстанавливая его водородом, который отщепляется от воды или другого органического вещества. Для ассимиляции углерода нужна энергия. В зависимости от источника энергии они делятся на:

Фотосинтетики- нуждаются в энергии солнечных лучей, имеется бактериохлорофилл, который отличается от хлорофилла растений тем, что при первом пиррольном кольце имеется ацильная группа, а не винильная. Фотосинтетики осуществляют типичную реакцию фотосинтеза..

Хемосинтетики ассимилируют CО₂ в темноте. Хемосинтез был открыт Виноградским в 1888г. Они осуществляют цепь химических экзотермических реакций, в основном это реакции окисления различных неорганических соединений. Пример: NH₂ -HNO₂ - HNO₃

Фотосинтетики и хемосинтетики делятся по донору водорода:

1. Литотрофы- используют неорганические соединения.

2. Органотрофы- используют органические соединения.

Гетеротрофы – используют в качестве источника энергии органические вещества, окисляя которые они получают энергию и водород_.

С учетом всех трех критериев выделяют 8 типов питания микроорганизмов.

Каждому из этих типов соответствует определенное число особей, более или менее многочисленное. Наиболее многочисленный тип питания, к которому относится большинство микроорганизмов- это хемоорганогетеротрофы.

4. Характеристика питательных сред.

Питательные среды для микроорганизмов должны быть стерильны и приспособленными для тех микроорганизмов, которые изучаются.

Выделяют:

1) По составу.

· Естественные - в их основе используются природные, естественные субстраты (молоко, бульон, сусло, капустный отвар).

· Искусственные - составляются из определенным образом подобранных химических веществ (среда Чапека)

2)По консистенции

· Жидкие (бульоны, пиво, сусло, МПБ).

·.Твердые - к жидкой среде добавляется 2-3% агар- агара (МПА)

·.Полужидкие - к жидкой среде добавляется желатин (МПЖ).

3) По назначению.

1. Универсальные- на них растут большинство микроорганизмов (МПА). Используются на производстве для определения общей микробной обсемененности.

2. Элективные - избирательные среды, для определения микроорганизмов определенных групп, например для БГКП- бактерии группы кишечной палочки.

3. Дифференциально- диагностические- для выявления определенного вида микроорганизма

1. Способы культивирования.

2. Закономерности роста микробной культуры при периодическом культивировании.

3. Непрерывное культивирование. Устройство ферментера.

4. Накопительные культуры. Выделение чистых культур.

1. биомассы, либо для получения продуктов метаболизма.

Микроорганизмы выращивают в больших объемах либо для получения Биомасса- это общая масса клеток в микробной культуре.

В процессе выращивания микробная культура растет и развивается.

Рост- это увеличение размеров и биомассы, за счет потребленных и усвоенных питательных веществ.

Развитие - изменение морфологических, биохимических и физиологических свойств в процессе онтогенеза.

Важной характеристикой является скорость роста (интенсивность образования клеточной массы).

В микробиологии используют два способа культивирования микроорганизмов.

1.Поверхностный (твердофазный)

2. Глубинный (жидкофазный)

Поверхностный осуществляется на твердых сыпучих средах или на поверхности тонкого слоя жидкости. Он пригоден только для аэрофилов, в основном грибов. Основа питательной среды – отруби, которые являются отходами мукомольной промышленности. Важную роль играет крахмалистость отрубей, размеры чешуек. Кроме этого способ трудоемок, требует больших площадей, кондиционирования воздуха, установки закрытых линий, сложно автоматизировать, сложно контролировать pH, t °С и т.д.

Получаемые ферментные препараты обладают высокой активностью. Например амилооризин Пх (амило- значит продукт a- амилаза; оризин –продуцент Aspergillus oryzac; П поверхностное выращивание; х - степень концентрирования; если 10х- спиртоосажденный препарат).

Глубинный более перспективный, пригоден для всех микроорганизмов. Осуществляется в специальных емкостях- ферментерах (рис.), где

1-охлаждающая или обогревающая рубашка, 2- система контроля температуры, концентрации кислорода, 3- мотор, 5- мешалка, 6-подача кислорода, 4 – отвод отработанного воздуха

Клетки микробной культуры суспендированы в жидкости, находясь во взвешенном состоянии, есть возможность поддерживать температуру, перемешивать среду, аэрировать, регулировать рН. Мало ручного труда, автоматизация, малые площади, но активность получаемых ферментов ниже. Поэтому специально разрабатывают культуры- продуценты. Выращивают бактерии и грибы.

Поверхностное культивирование всегда периодическое, а глубинное - может быть и периодическим, и непрерывным.

2) Закономерности роста при периодическом культивировании.

При периодическом культивировании в ферментер загружается весь объем питательной среды и весь инокулят. Смена среды не происходит. Создается замкнутая биологическая система. Процесс ведут до определенного количества биомассы или накопления продукта метаболизма. Затем ферментер выгружают, моют и опять используют.

В процессе выращивания изменяется скорость роста, физиолого-биохимических свойства микробной культуры.

Выделяют следующие фазы роста:

1. Лаг-фаза (адаптации)

2. Переходная

3. Логарифмическая

4. Затухающего роста

5. Стационарная

6. Отмирания

Длительность фазы адаптации зависит от условий выращивания инокулята) dx/dτ=0

Микробные клетки увеличиваются в объеме за счет собственных ресурсов, увеличивается и-РНК, но количество ДНК постоянно. Клетки из состояния голодания переходят в состояние, соответствующее способности к размножению. Потребления питательных веществ не происходит, но клетка становится больше в объёме. Длительность фазы 4-5 часов.

По достижении определенного объема наступает переходная фаза (деление клетки)

Переходная фаза – идет репликация ДНК, кариокинез (деление ядра) Плотность популяции увеличивается вдвое. Время между двумя последовательными делениями называется временем генерации. Если обозначить исходное число клеток через С _0, тогда через данное число генерации (n) общее число живых клеток в культуре составит: Сt= С ₀ *2ⁿ , можно рассчитать n

N=(lg Ct- lg С ₀ )/ lg 2

В этой фазе скорость роста увеличивается от 0 до 1, т. е. до максимума, после этого dx/dτ=k*x, в интервале времени τ2-τ3.

В логарифмической, или экспоненциальной фазе, плотность популяции быстро увеличивается. На полную мощь работает генетический аппарат. Питательные вещества быстро вовлекаются в конструктивный обмен.

Поскольку среда несменяемая, то наступает лимит в питательных веществах и культура переходит в фазу затухающего роста. Константа скорости роста уменьшается с 1 до 0.

Когда скорость роста равна нулю, то культура переходит в стационарную фазу dx/dτ=0 Стационарная фаза – роста нет, в культуре присутствуют разные клетки: живые, но голодающие, живые, но ингибированные продуктами метаболизма, мертвые. Уменьшается размер клеток, устойчивость к температуре, рН. Эта фаза длится около суток.

Затем начинается отмирание.

Все эти данные для описания конкретной кинетической кривой роста, полученной в результате эксперимента, но они не являются основой для прогнозирования.