Dinh dưỡng của vi sinh vật – Phần 4

Khái niệm về sự sinh trưởng trong điều kiện hạn chế các chất dinh dưỡng Ở môi trường nuôi cấy lắc trong phòng thí nghiệm, khi tất cả các chất dinh dưỡng được cung cấp cho sự sinh trưởng của vi sinh vật đã được thiết kế tối ưu thì sự dư thừa xảy ra vào lúc đầu và các tế bào sinh trưởng theo logarit với tốc độ sinh trưởng là lớn nhất. Tuy nhiên, trong mỗi hệ thống môi trường và kỹ thuật nuôi cấy, sự sinh trưởng của vi sinh vật không thể tiếp diễn mãi...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dinh dưỡng của vi sinh vật – Phần 4 Dinh dưỡng của vi sinh vật – Phần 413.1.4. Khái niệm về sự sinh trưởng trong điều kiện hạn chế các chất dinhdưỡng Ở môi trường nuôi cấy lắc trong phòng thí nghiệm, khi tất cả các chất dinhdưỡng được cung cấp cho sự sinh trưởng của vi sinh vật đã được thiết kế tối ưu thìsự dư thừa xảy ra vào lúc đầu và các tế bào sinh trưởng theo logarit với tốc độ sinhtrưởng là lớn nhất. Tuy nhiên, trong mỗi hệ thống môi trường và kỹ thuật nuôicấy, sự sinh trưởng của vi sinh vật không thể tiếp diễn mãi mà không bị giới hạntrong một khoảng thời gian dài. Một tính toán đơn giản để chứng minh nhận địnhnày là: sau 2 ngày sinh trưởng theo logarit, một tế bào vi sinh vật cứ 20 phút lạinhân đôi một lần sẽ tạo ra xấp xỉ 2 x 1043 tế bào. Giả sử khối lượng trung bình củamỗi tế bào là 10-12 g thì toàn sinh khối tế bào trên sẽ có khối lượng gấp gần 400lần khối lượng của quả đất. Vì vậy, trong mỗi một thể tích nuôi cấy, sự sinhtrưởng luôn luôn sớm bị giới hạn do sự cạn kiệt của một hoặc vài chất dinh dưỡng. Thuật ngữ “các chất dinh dưỡng hạn chế” được sử dụng với rất nhiều ý nghĩa,và thường vẫn bị nhầm lẫn. Các chất dinh dưỡng hạn chế có khả năng ảnh h ưởngđến sự sinh trưởng trong các môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo hai cách riêngbiệt: hóa học và và động học. Sự hạn chế hóa học được định nghĩa là khối lượnglớn nhất sinh khối có thể được tạo ra trong điều kiện giới hạn các chất dinh d ưỡng.“Nguyên lý Liebig” bắt nguồn từ các nghiên cứu về sự màu mỡ trong nông nghiệpcủa Justus von Liebig vào năm 1840. Trong nghiên cứu này ông tìm ra rằng hàmlượng của một chất dinh dưỡng nào đó sẽ quyết định đến năng suất mùa màng,miễn là tất cả các chất dinh dưỡng khác đã có mặt một cách dư thừa (phương trình1). Giới hạn động học xuất hiện khi nồng độ các chất dinh dưỡng là thấp (trongphạm vi từ miligram tới microgram trong mỗi lit), sự hạn chế các chất dinh dưỡngsẽ điều khiển tốc độ sinh trưởng riêng của tế bào (µ). Điều khiển động học về tốcđộ sinh trưởng thường kéo theo các động lực bão hòa và phương trình Monod(phương trình 2) được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa nồng độ của các chấtdinh dưỡng đối với tốc độ sinh trưởng riêng của tế bào (µ).X = X0 + ( S0 - S) x YX/S (1)µ = µmax x x s / (KS + S) (2) Trong đó S0 là nồng độ ban đầu và s là nồng độ cuối cùng của các chất dinhdưỡng bị hạn chế S; X(X0) là nồng độ sinh khối (ban đầu); là sản lượng sinh khốithu được đối với chất dinh dưỡng S, µmax là tốc độ sinh trưởng riêng lớn nhất, vàKS là hằng số ái lực cơ chất Monod. Điều này thể hiện rõ trong hình 13.2 đối với sự sinh trưởng trong hệ thốngnuôi cấy kín. Các tế bào ban đầu sinh trưởng không giới hạn cho đến khi sự tiêuthụ các chất dinh dưỡng hạn chế bị hết dần, dẫn đến tốc độ sinh trưởng suy giảmdần, sau đó tốc độ sinh trưởng ngừng hẳn. Đó là lúc đạt đến nồng độ cuối cùng củasinh khối. Trong nuôi cấy liên tục, người bổ sung môi trường một cách liên tục vàmột lượng môi trường dư thừa được loại bỏ. Tốc độ bổ sung thêm vào của cácchất dinh dưỡng bị hạn chế sẽ điều khiển đồng thời cả µ và nồng độ sinh khốitrong môi trường nuôi cấy (Pirt, 1975; Kovarova và Egli, 1998).Hình 13.2: Động học của sự giới hạn sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấyđóng do giới hạn nồng độ của chất dinh dưỡng (cơ chất) S. S0 là nồng độ cơ chấtban đầu, s là nồng độ thực của cơ chất, X là nồng độ sinh khối; X0: nồng độ sinhkhối ban đầu; Y: sản lượng sinh khối thu được đối với cơ chất S. Trong thực nghiệm, người ta có thể nuôi cấy các tế bào trong các điều kiện đãđược biết rõ, nhờ đó các chất dinh dưỡng hạn chế sẽ được xác định. Đối với việcnuôi cấy các vi sinh vật dị dưỡng để nghiên cứu và tạo ra các sản phẩm sinh khối,môi trường được thiết kế phổ biến với nguồn carbon và năng lượng giới hạn, tất cảcác chất dinh dưỡng khác được cung cấp dư thừa. Tuy nhiên, trong quá trình côngnghệ sinh học, sự giới hạn bởi các chất dinh d ưỡng chứ không phải nguồn carbongiữ chức năng điều khiển các trạng thái sinh lý và quá trình trao đổi chất của visinh vật. Sự hạn chế các chất dinh d ưỡng nào đó thường kích thích hoặc tăngcường sự tạo thành rất nhiều các sản phẩm trao đổi chất và các enzyme của vi sinhvật. Ví dụ, năng suất sẽ được tăng lên trong quá trình lên men tạo chất kháng sinhdo sinh trưởng trong môi trường hạn chế photphat, sự sản xuất acid citric trongmôi trường có sự hạn chế Fe-, Mn-, hoặc Zn. Còn sự sinh tổng hợp của NAD l àđược thực hiện trong điều kiện hạn chế Zn-Mn. Việc tích lũy các nguyên liệu dựtrữ nội bào PHB hoặc PHA (chất dẻo sinh học -bioplastic) sẽ bị giới hạn bởi nguồncung cấp hợp chất giàu nitrogen. Rõ ràng là sự sinh trưởng của vi sinh vật được điều khiển thường xuyênkhông phải chỉ bởi một chất dinh dưỡng mà bởi sự kết hợp của hai hay nhiều chấtdinh dưỡng đồng thời (Kovarova và Egli, 1998).13.1.5. Thiết kế và phân tích môi trường sinh ...