Влияние лимитирующих факторов на скорость роста

Для каждого компонента среды существует его оптимальная концентрация, обеспечивающая максимально возможную в данных условиях скорость роста.

Если дли интенсивного роста культуры требуются десятки граммов углерода на 1 л среды, то соединений азота—в десять раз меньше, т. е. единицы граммов, зольных элементов—менее 1 г, а микроэлементов—следы. Если же содержание углерода в среде снижается, то остальные компоненты, оказывающиеся в избытке, не могут быть использованы микроорганизмами и, следовательно, дозу их в среде следует также уменьшить.

Это касается не только соединений углерода, но и всех основных компонентов питательной среды. Рост микробной культуры зависит от того вещества, которое содержится в минимуме. Если по мере роста культуры какой-нибудь компонент питательной среды истощается, то дальнейший рост культуры будет зависеть только от остаточной концентрации именно этого компонента. При снижении данного компонента до минимальной концентрации, т.

Факторы, радикально влияющие на рост культуры, называются ограничивающими, или лимитирующими, а само явление—лимитацией. Если скорость роста зависит только от одного фактора, то она может быть выражена зависимостью, представленной на рис. 30. Такие реакции относятся к реакциям первого порядка. Иначе их называют мономолекулярными, подчеркивая тем самым, что скорость реакции зависит от концентрации одного вещества.

Рисунок

При ограничении скорости роста одним фактором скорость зависит от оставшейся концентрации лимитирующего фактора. Чем ниже концентрация лимитирующего компонента, тем ниже скорость роста, тем медленнее потребляется лимитирующий компонент, тем меньше в абсолютных величинах меняется скорость роста.

Этот процесс может быть охарактеризован с помощью константы К, показывающей, как меняется скорость роста в зависимости от оставшейся концентрации лимитирующего фактора S:

Рисунок

Константа скорости химической реакции есть скорость данной реакции при условии, что концентрация вещества постоянна и равна единице. Размерность константы реакций первого порядка [t-1]. Время может быть выражено в секундах, минутах, часах и т. д.

При отсутствии необходимого компонента питательной среды размножения клеток не происходит, хотя некоторое время они могут сохраняться в живом состоянии. При введении в среду необходимого компонента рост начинается не сразу. Концентрация этого компонента должна превысить минимальный предел (Smin), и только после этого вещество станет доступным микроорганизмам.

Реакция переходит в так называемый промежуточный порядок. Наконец, наступает момент, когда дальнейшее увеличение концентрации того же компонента питательной среды не отражается на скорости роста культуры. Скорость достигла максимальной величины, возможной в данных условиях. Порядок реакции становится нулевым.

Такой характер изменения удельной скорости роста возможен только в том случае, когда рост зависит только от одной реакции, протекающей медленнее всех других.

Кривая, приведенная на рис. 30, выражается уравнением Моно:

Рисунок

где ?—удельная скорость роста; ?max—максимальная удельная скорость роста, которая может быть достигнута при насыщении среды компонентом, лимитирующим скорость реакции; S—остаточная концентрация лимитирующего компонента; КS—константа реакции, численно равная концентрации лимитирующего компонента, при которой

Рисунок

Это уравнение показывает зависимость между остаточной концентрацией питательного вещества, находящегося в минимуме, и удельной скоростью роста. Рост культуры возможен только в том случае, когда. При избытке лимитирующего компонента ?=?min. Уравнение позволяет предвидеть изменение удельной скорости роста в зависимости от остаточной концентрации лимитирующего вещества.

На сооружениях биологической очистки в условиях полной очистки лимитирующим фактором роста микроорганизмов часто служит низкая остаточная концентрация органических веществ. Это связано с высокими требованиями к качеству очищенной воды и с недопустимостью попадания органических веществ, содержащихся в сточных водах, в водоем. Другой фактор, ограничивающий рост микробной культуры,— ядовитые вещества. Они могут приноситься извне, что особенно часто имеет место на очистных сооружениях, или могут быть продуктами обмена микроорганизмом (рис. 31).

Угнетение роста культуры, вызванное накоплением продуктов обмена, согласно исследованиям II. Д. Иерусалимского, может быть выражено уравнением, подобным уравнению Микаэлиса—Ментен:

Рисунок

где ?0—удельная скорость роста культуры на данной среде при полном отсутствии в ней продуктов, тормозящих рост; Р—фактическая концентрация продуктов обмена; КP—константа реакции, численно равная концентрации продуктов обмена, при которой скорость роста замедляется вдвое, т. е.

Рисунок

При культивировании в искусственных условиях микроорганизмы часто испытывают угнетение вследствие недостатка субстрата и избытка продуктов обмена. Н. Д. Иерусалимский объединил оба процесса в одно уравнение:

Рисунок

Уравнение получило экспериментальное подтверждение. Как следует из уравнения, при малом количестве продуктов обмена (Р<>KS) процесс определяется только накоплением продуктов обмена.

Величины ?max и КS дают очень многое для понимания характера роста микроорганизмов. (Лтах показывает, какую максимальную скорость роста может иметь изучаемый организм на данной среде. Этот показатель позволяет сравнивать перспективность выращивания разных организмов на одной и той же среде. С другой стороны, при сравнении различных питательных сред ?max показывает, насколько отвечает данная среда потребностям изучаемого организма: на неполноценной среде ?max меньше, на полноценной—больше.

КS характеризует отношение микроорганизма к субстрату. Она показывает, насколько полно может извлекать организм питательный субстрат из среды. Для нахождения KS необходимо знать ?, которое вычисляют, определяя начальную скорость роста при различных концентрациях субстрата в течение как можно более короткого времени. Имея S и ?, KS удобнее всего определить графически. Для этого уравнение Моно преобразуют в линейный вид.

Рисунок

На осях откладывают величины и (рис. 32). Получают прямую, которая на оси ординат отсекает участок, равный. Продолжение прямой за осью ординат отсекает на продолжении оси абсцисс величину, численно соответствующую.

Рисунок

Следует иметь в виду, что описание роста культур путем использования величин ?max и KS не является исчерпывающим. В биологических системах смена лимитирующих факторов происходит настолько быстро, что скорость роста может быть функцией многих констант скоростей. Этот вопрос еще недостаточно изучен. Однако для практических целей вполне допустимо пользоваться наиболее изученными параметрами ?max и KS.

В биологической системе все факторы взаимосвязаны. Это касается не только компонентов питательной среды, но и внешних факторов. Так, при повышении температуры необходимо увеличивать объем воздуха, пропускаемый через питательную среду. Это объясняется тем, что с повышением температуры химические реакции активизируются, кислорода требуется больше, а растворимость газов снижается. По этой причине, когда говорят о лимитации процесса каким-либо фактором, всегда имеют в виду, что фактор является лимитирующим только для данных условий.