Периодическое культивирование микроорганизмов

В периодическом состоянии динамика роста и размножения микро­организмов в жидкой питательной среде обладает рядом особенностей, общих для бактерий, актиномицетов, микроскопических грибов, микоплазм и других про- и эукариот. При индивидуальном развитии им свойственна высокая скорость размножения. Развитие происходит в виде последовательных фаз, характер и продолжительность которых зависят от физиологического состояния клеток, определяемого в свою очередь условиями разнообразных факторов среды, в которой разви­ваются популяция того или иного организма.

Другими словами, фазы роста микроорганизма отражают количест­венные и качественные изменения в их биомассе и окружающей среде.

В простой гомогенной периодической культуре микроорганизмов выделяют от 4 до 8, и даже до 16 фаз.

1. Исходная фаза (лаг-фаза или индукционный период) являет­ся фазой задержки роста, когда размножения микробных клеток не происходит. Эта фаза характеризуется отсутствием роста клеток. В этот период посевная культура приспосабливается к изменившимся внешним условиям и вырабатывает ферменты, необходимые для роста на данной питательной среде. В лаг-фазе в клетках культуры происхо­дят значительные качественные изменения: возрастет количество нук­леиновых кислот, в первую очередь РНК, активизируются одни фер­менты и синтезируются другие.

Продолжительность лаг-фазы зависит от следующих факторов:

- от состава питательной среды - если питательная среда по составу мало отличается от среды, на которой росла посевная культура, лаг-фаза может практически отсутствовать;

- от качества посевного материала ~ количества в нем жизнеспо­собных клеток, их возраста, способа хранения;

- от посевной дозы.

2. Период положительного ускорения роста. Длительность этого периода для большинства микроорганизмов составляет 2 часа, и она зависит от температуры, состава питательной среды, качества посевно­го материала. Многие авторы эти две фазы рассматривают вместе. Число клеток остаётся постоянным из-за отсутствия в этот период кле­точного деления. Общее состояние микробных клеток характеризуется как состояние приспособления к питательной среде. В этот период усиливается синтез веществ, клеток, они увеличиваются в размере, в них образуется большое количество индуцибельных ферментов.

3. Фаза логарифмического (лог-фаза) или экспоненциального (показательного) роста. Она характеризуется постоянной и макси­мальной скоростью роста клеток. Рост микробов в эту фазу происхо­дит в геометрической прогрессии.

Продолжительность этой фазы зависит:

- от запаса питательных веществ в среде;

- от условий аэрации;

- от перемешивания и др. факторов.

Для описания процессов роста микроорганизмов используют такие характеристики, как общая и удельная скорости роста биомассы (или числа клеток). Другой важной характеристикой роста культуры явля­ется время генерации, за которое биомасса культуры удваивается. Время генерации из разных культур микроорганизмов сильно различа­ется. Наиболее быстрорастущие бактерии при благоприятных услови­ях генерации имеют период генерации - 20-25 мин.

Продолжительность генерации в лог-фазе у разных микроорганиз­мов не одинакова. Так, для сальмонелл она равна 20-30 мин., для стрептококков и стафилококков - 25-35 мин., для эшерихий - 15-17 мин.

На продолжительность генераций влияют температура, рН среды, состав среды и т. д.

Если на единицу объема растущей периодической культуры прихо­дится а₀ клеток - это число клеток, которое внесли в питательную сре­ду с маточной культурой в момент to, то после п делений за время t число клеток будет Ао х 2ⁿ = А_t

Логарифмируя это выражение получим: lg А_t == lg Ао + п lg 2.

Количество клеток в момент to и t определяют подсчетом в камере Горяева с помощью автоматических счетчиков, используемых для подсчета форменных элементов крови типа Целлоскоп или Каултера, или спектро-фотометрически (турдиметрически или нефелометрически). Однако с помощью этих методов определяются как живые, так и мертвые клетки.

В некоторых случаях проводят подсчет только живых клеток. Для этого производят высев клеток на плотные питательные среды с по­следующим подсчетом числа колоний, образуемых жизнеспособными клетками.

Из приведенного уравнения можно рассчитать количество делений клеток и константу скорости деления (V) — число клеточных делений в 1 час.

п == lgA_t-lgAo,

lg2

V=п lgA_t-lgAo

t lg2 (t,-to)

Рассмотрим конкретный пример. В питательную среду внесли 1000 (10³) клеток. Через 10 часов культивирования в среде выявили 10⁹ (1 миллиард) микробных клеток.

Константа скорости деления (число клеточных делений в час) рав­на:

Ig10⁹ – lgl0³ 9-3 6

V- ———————— ⁼ ————— = ———— = 2.

0,3010x10 0,3010x10 3,010

Число клеточных делений равно:

IglO ⁹ - lglO³ 9-3 6

п - ——————— == ————— ⁼ ——— = 20.

0,3010 0,3 0,3

Время, необходимое для одного клеточного деления (t_n),или время генерации:

t 10

t_n = — = —— == 0,5 часа .

п 20

Эти данные используют при выборе производственных штаммов и для их объективной оценки. Рост периодической культуры можно проследить не только по чис­лу клеток, но и по урожаю клеток. Под урожаем понимают разность между полученной и исходной массами бактерий. Массу выражают в граммах сухого вещества. Это имеет производственное значение, т.к. рост микробной клетки сопровождается не только делением клеток, но и увеличением размеров и массы одной конкретной особи между дву­мя делениями.

Обозначим первоначальную массу клеток Ао, а А_t - масса клеток через время t. Тогда урожай бактериальной массы А = а_t -a₀.

Еще одним важным производственным показателем характеристи­ки штаммов бактерий является скорость экспоненциального роста. Для ее расчета используют показатель плотности бактериальной суспен­зии. Это связано с тем, что константа скорости роста и константа ско­рости деления клеток не равноценны, т.к. число и масса клеток не идентичные понятия и во время роста периодической культуры соот­ношение между этими двумя показателями изменяется.

Обозначим константу скорости роста - ц, начальную плотность суспензии бактерий через Хо (г/см³), а конечную Xt (г/см³), при этом начальное время to, а конечное время t₁. Тогда константу скорости рос­та вычисляют по формуле:

lgX _t-lgXo lgX _t-lgXo

M =——————— = —————————.

Lg e(t₁-t₀) 0,43429 t

t- время культивирования, час; lg e == 0,43429.

Время удвоения клеточной массы t_d можно рассчитать по формуле:

t_d = ln 2 = 0,693

M M

ln - натуральные логарифмы при основании e, е = 2,71828.

С экономической точки зрения важным показателем процесса культивирования является показатель, называемый экономическим коэффициентом. Если обозначить его через букву Y, его можно рас­считать по формуле:

А

Y= __

S

где S - количество потребленного субстрата (г); А - сухая бакмасса (г).

Высокая скорость развития микроорганизмов сохраняется на всей экспоненциальной стадии. Однако эта зависимость наблюдается в те­чение ограниченного времени. По мере роста культуры в среде посте­пенно потребляются питательные вещества, накапливаются продукты обмена, затрудняется транспорт питательных веществ (в первую оче­редь кислорода) и метаболитов вследствие увеличения плотности по­пуляции.

4. Фаза отрицательного ускорения. В эту фазу скорость размно­жения замедляется, а время генерации увеличивается. Наступление этой фазы обусловлено истощением питательной среды и накоплением в культуральной жидкости токсических веществ, которые начинают ингибировать развитие культуры. Кроме того, в эту фазу происходит наивысшее накопление микробной массы в единице объёма.

5. Стационарная фаза роста, или максимума, на протяжении ко­торой численность микробной популяции не уменьшается. В эту фазу скорость размножения и отмирания клеток одинаковая. Концентрация живых клеток в эту фазу достигает максимума, и она называется М-концентрацией. В этой фазе сама биомасса микроорганизмов и про­дукты их биосинтеза обладают наибольшей биотехнологической цен­ностью.

6. Фаза отмирания микробной популяции. Любая микробная популяция, растущая в сосуде с несменяемой средой, вступает после фазы стационарного роста в стадию отмирания. По скорости отмира­ния вначале устанавливают фазу ускоренного отмирания (VI), затем фазу постоянной скорости отмирания (VII) и фазу замедленной скоро­сти отмирания (VIII). Причинами отмирания микробной популяции являются истощение среды и накопление в ней большого количества токсических продуктов метаболизма. В период стадии отмирания об­щее количество биомассы уменьшается, что чаще всего происходит за счет аутолиза.

Продолжительность стадии отмирания у различных микроорганиз­мов не одинакова: у пневмококка она составляет 2-3 суток, у эшери-хий — несколько месяцев. В этот период в культуре находят значитель­ное уменьшение клеток. У них уменьшается биохимическая и анти­генная активность.

Учитывая это для изготовления ряда биопрепаратов отбирают культуры микроорганизмов чаще всего в фазе отрицательного ускоре­ния роста, или в начале стационарной фазы роста, когда концентрация живых микробных клеток приближается или равна М-концентрации.

Хемостатная культура, или метод непрерывного культивирования микроорганизмов

Хемостатная, или непрерывная, культура представляет собой проч­ную культуру тех или иных микроорганизмов. В таком случае воз­можность продления жизни микробной популяции поддерживается с помощью непрерывной подачи свежей среды и постоянного отбора микробной биомассы или образовавшихся продуктов метаболизма, т.е. можно культуру микроорганизма как бы зафиксировать в одной, например стационарной, фазе роста и получать нужные продукты об­мена или биомассу во времени столько, сколько требуется. Таким об­разом, максимальная производительность в хемостатной культуре все­гда выше, чем максимальная производительность в периодической культуре.

Нужно сказать, что до 50-х годов для культивирования микроорга­низмов с целью их всестороннего изучения служила простая периоди­ческая культура. Только с переходом к методу хемостатного культи­вирования обнаружился недостаток периодической культуры, которая не даёт полного представления обо всех изменениях, происходящих в клетке, и о влиянии внешних факторов на протекающие в ней процес­сы.

Развитие хемостатного культивирования открыло возможность управлять процессом, контролируя рост и поведение микроорганиз­мов, а при необходимости вмешиваться в этот процесс, изменяя ско­рость роста до задаваемых пределов путём воздействия на такую куль­туру внешними факторами. В настоящее время интерес к непрерывно­му культивированию растёт как в нашей стране, так и за рубежом. Од­нако, несмотря на преимущества хемостатных культур, в биологиче­ской промышленности при производстве вакцин они не получили ещё достаточного применения по следующим причинам:

1. Технические трудности, в первую очередь связанные с создани­ем асептических условий.

2. Не во всех случаях непрерывный процесс предпочтительнее пе­риодического, поскольку при низкой удельной скорости роста биомас­сы периодический процесс по эффективности не уступает непрерыв­ному и более выгоден, т. к. его проще осуществить.

3. Интенсивный биосинтез многих продуктов метаболизма проис­ходит при медленном росте биомассы, поэтому в периодических про­цессах концентрация целевого продукта в культуральной жидкости обычно выше, чем в непрерывных, что существенно повышает эффек­тивность стадий выделения и очистки продукта. Всё это свидетельствует о том, что периодические процессы в бу­дущем будут применяться.