Необходимые условия для регулирования обмена веществ микроорганизмов

Чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез какого-либо вещества, необходимы оптимальные условия окружающей среды: химические факторы - состав и концентрация питательных веществ, присутствие активаторов и ингибиторов; физические факторы - температура, давление, рН, плотность, подвижность среды, освещение, радиация и т.д. Чем благоприятнее эти условия для данного микроорганизма, тем интенсивнее он развивается и размножается.

Один из важных факторов - питательная среда. Микроорганизмам требуется целый ряд необходимых элементов питания (углерод, азот, фосфор, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества и др.).

Источниками углерода для гетеротрофных микроорганизмов могут быть углеводы (моно- и полисахариды), спирты, кислоты и др. Концентрация этих веществ в среде может изменяться от десятых долей процента до 20%. Источниками азота в питательной среде могут быть белки, пептиды, аминокислоты, соли аммония или аммиака, нитраты, а также атмосферный азот. В качестве источника фосфора обычно используют фосфаты (соли фосфорной кислоты). Кроме того, к питательной среде добавляют также соли К, Mg, Fe, микроэлементы (Со, Сu, Mn и т.д.) и различные органические вещества (витамины и другие биологически активные вещества).

Потребность микроорганизмов в соответствующих веществах выясняют, культивируя их на синтетических средах, состоящих из определенных химически чистых соединений. Изменяя количество одного из компонентов среды и сохраняя остальные на оптимальном уровне, можно установить, какие вещества и в каких концентрациях необходимы для жизнедеятельности соответствующего микроорганизма.

Если на клетки микроорганизмов оказывают влияние слишком высокие концентрации веществ в питательной среде, то может произойти плазмолиз клетки - часть воды выделится из клеток и протоплазма отойдет от клеточной стенки, жизнедеятельность клетки замедлится или полностью прекратится. Чувствительность микроорганизмов к повышению осмотического давления различна и оказывает существенное влияние на их жизнедеятельность.

Так, в производстве хлеба можно затормозить брожение теста при внесении в него соли или повышенного количества сахара и жира. Для уменьшения тормозящего действия соль вносят в несколько приемов, а сахар и жир - преимущественно на последних стадиях брожения. Во всех случаях с повышением количества сахара, жира и соли в тесте увеличивается расход дрожжей. В ряде случаев, например, в производстве мучных кондитерских изделий, из-за высокого содержания питательных веществ, в первую очередь сахара, использование микроорганизмов для биологического разрыхления невозможно. Их следует заменять химическими разрыхлителями.

Для микробиологических процессов большое значение имеет реакция среды (рН). Для каждой культуры микроорганизмов есть свои пределы оптимума, максимума и минимума рН. Так, ацидофильным микроорганизмам (некоторые плесени, дрожжи, бактерии) необходим рН 1,5-4,5, нейтрофилам - рН 6,5-8,0 и базофилам - рН 8,5-9,5. Но большинство микроорганизмов лучше всего развиваются в нейтральной среде при рН 7,0.

Большое значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для аэробных микроорганизмов он жизненно необходим, а для анаэробных является ядом. Только для факультативно-анаэробных микроорганизмов, например, дрожжей, это не имеет существенного значения.

Потребление кислорода зависит от концентрации клеток. Чем она выше, тем больше требуется кислорода. Режим аэрации должен обеспечивать такую скорость растворения кислорода, которая полностью соответствовала бы расходу.

Для микроорганизмов существенное значение имеет также окислительно-восстановительный потенциал, который выражается в милливольтах или чаще отрицательным логарифмом давления молекулярного водорода гН₂. Степень аэробности или анаэробности может быть количественно охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала. Это индекс гН₂, аналогичный рН, но рН выражает степень кислотности или щелочности, а гН₂ - степень аэробности. В водном растворе, насыщенном кислородом, гН₂ = 41, а в условиях насыщения водородом гН₂ = 0. Шкала от 0 до 41 характеризует степень аэробности. Облигатные анаэробы жизнедеятельны при гН₂ не выше 18-20, при этих значениях они только осуществляют обмен веществ, но не размножаются. Размножаться они могут при крайне низких значениях гН₂ - не выше 3-5. Факультативно-аэробные и анаэробные микроорганизмы живут в широком диапазоне гН₂ - от 0 до 30. Низкие значения гН₂ не оказывают вреда, а высокие - неблагоприятны. Микроорганизмы всегда снижают высокие значения гН₂ в среде, выделяя в нее восстановители. Облигатные аэробы не способны жить без кислорода и при низких значениях гН₂ не могут существовать, так как в среде нет свободного кислорода. Нижний предел гН₂ для них равен 10, верхний - 30, так как при гН₂ = 30 происходят чрезмерное окисление и повреждение клеток.

Для роста и развития микроорганизмов очень большое значение имеет температура. Большинство используемых в промышленности микроорганизмов по отношению к температуре являются мезофилами: их развитие происходит при 25-37⁰С. Психрофильные микроорганизмы растут в интервале 0-15⁰С, а термофильные - в интервале 55-75⁰С. Все перечисленные микроорганизмы имеют промежуточные формы. Обычно при повышении температуры процессы биосинтеза интенсифицируются, если это повышение не ингибирует определяющие биосинтез ферменты. При температуре 70⁰С большинство вегетативных микроорганизмов гибнет за 1-5 мин.

Нормальное функционирование клетки, т.е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней содержится достаточное количество воды и клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций, а следовательно, и интенсивность жизненных процессов. Вода не только является реакционной средой и растворителем веществ, при взаимодействии с водой при участии гидролитических ферментов осуществляется множество реакций, в результате которых образуются новые вещества с совершенно новыми свойствами.

Итак, при благоприятных условиях, т.е. в среде, где есть водный раствор питательных веществ, а также соблюдены все соответствующие физические и химические факторы (температура, рН, присутствие кислорода и т.д.), в клетках микроорганизмов начинаются ферментативные процессы, т.е. обмен веществ с окружающей средой. Из веществ, проникших в клетку, образуются внутриклеточные вещества и структурные элементы, происходит ассимиляция. Одновременно идут процессы распада веществ -диссимиляция. Если первые процессы преобладают над вторыми, наблюдается рост клетки. Достигнув определенных размеров в соответствующей фазе развития, клетка может начать размножаться. Скорость размножения зависит как от видовых свойств культуры, так и от условий окружающей среды.

В благоприятных условиях каждое следующее поколение у дрожжевых клеток появляется через 1 ч, а у некоторых бактерий - даже через каждые 20-40 мин. Однако, как правило, клетка размножается гораздо медленнее, так как в среде могут возникать неблагоприятные условия (нехватка какого-либо питательного вещества, изменение температуры, рН, образование токсических веществ, избыток клеточной массы на единицу объема и т.д.).

В результате роста и размножения клеток в питательной среде увеличивается биомасса. Количество биомассы выражают по сухой массе клеток в единице объема (мг/см³, г/дм³, кг/м³) или, если клетки имеют примерно одинаковые размеры, по числу клеток в единице объема (млн/см³, млрд/см³).

В развитии микроорганизмов наблюдается несколько фаз. Внесенные в питательную среду клетки микроорганизмов не сразу начинают размножать­ся, до этого следует некоторый период, называемый лаг-фазой. В этот период, длящийся иногда несколько часов, клетки приспосабливаются к среде и окружающим условиям. В период лаг-фазы стремительно возрастает количество нуклеиновых кислот, особенно РНК, что необходимо для биосинтеза белков.

После лаг-фазы следует логарифмическая, или экспоненциальная, фаза, в которой клетки размножаются с максимальной для данной культуры скоростью. Вследствие этого запас необходимых питательных веществ в среде уменьшается. Кроме того, в этот период происходит накопление различных продуктов обмена веществ, которые в определенной концентрации могут мешать нормальному протеканию процесса обмена веществ. Скорость роста снижается также за счет сокращения площади поверхности клеток из-за тесного окружения одних клеток другими, а именно через их поверхность происходят процессы обмена веществ - поступление питательных веществ в клетку и выведение метаболитов.

При интенсивном росте и размножении внутри закрытой системы негативное влияние лимитирующих факторов увеличивается и в результате скорость роста микроорганизмов уменьшается, наступает фаза замедленного роста. Через определенное время в стационарной фазе масса клеток в питательной среде достигает максимального уровня. Затем наступает период, когда число отмерших и автолизированных клеток превышает прирост. В результате количество биомассы уменьшается - наступает фаза отмирания.

Следовательно, наиболее интенсивно рост и размножение происходят в логарифмической фазе, где еще не действуют лимитирующие факторы. Для характеристики развития культуры микроорганизмов используют скорость роста - изменение количества биомассы в единицу времени. Максимальная скорость роста в логарифмической фазе для каждой культуры различна и относится к наиболее важным характеристикам ее физиологических свойств. Абсолютный прирост биомассы в единицу времени (обычно за 1 ч) характеризует общая скорость роста V. Если прирост биомассы за бесконечно малый промежуток времени dt обозначить через dm, то

Чтобы определить, с какой скоростью идет прирост биомассы от исходного количества m₀ до m₁ за время t₁ - t₀, используют среднюю скорость роста V_cp, которую определяют по формуле^

Изменение (увеличение) количества биомассы микроорганизмов важно контролировать как при получении биомассы (дрожжевое производство), так и при накоплении ее в культуральной среде какого-либо вещества (производство спирта, лимонной кислоты и др.).

В первом случае процесс прекращают, когда достигнуто максимальное количество биомассы, а углерод и азот среды использованы максимально. Если источник углерода для образования биомассы и какого-либо продукта общий, например? спиртовое брожение на сахарозе или мальтозе, тогда увеличение биомассы на определенном этапе ограничивают (в спиртовом брожении - путем создания факультативно-анаэробных условий).