Dinh dưỡng của vi sinh vật: Phần A. Thiết kế môi trường và kiểm tra các chất dinh dưỡng

Thiết kế môi trường sinh trưởng Trong thiết kế môi trường sinh trưởng, quyết định đầu tiên được đưa ra là chọn lựa nồng độ cao nhất cho phép tạo ra sinh khối (Xmax), và xác định các chất dinh dưỡng giới hạn (theo nguyên lý Liebig). Điển hình, môi trường sinh trưởng cho các vi sinh vật dị dưỡng được thiết kế với nguồn năng lượng - carbon riêng biệt sẽ giới hạn lượng sinh khối được tạo ra, nhưng ngược lại tất cả các chất dinh dưỡng khác (được thêm vào dưới dạng các hợp chất đơn)...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dinh dưỡng của vi sinh vật: Phần A. Thiết kế môi trường và kiểm tra các chất dinh dưỡng A. Thiết kế môi trường và kiểm tra các chất dinh dưỡng giới hạn 1. Thiết kế môi trường sinh trưởng Trong thiết kế môi trường sinhtrưởng, quyết định đầu tiên đượcđưa ra là chọn lựa nồng độ cao nhấtcho phép tạo ra sinh khối (Xmax), vàxác định các chất dinh dưỡng giớihạn (theo nguyên lý Liebig). Điểnhình, môi trường sinh trưởng chocác vi sinh vật dị dưỡng được thiếtkế với nguồn năng lượng - carbonriêng biệt sẽ giới hạn lượng sinhkhối được tạo ra, nhưng ngược lạitất cả các chất dinh dưỡng khác(được thêm vào dưới dạng các hợpchất đơn) được cung cấp dư thừa.Dựa vào giá trị X max, có thể tínhtoán được nồng độ tối thiểu của cácnguyên tố khác nhau cần thiết trongmôi trường nuôi cấy. Để đảm bảosự dư thừa của tất cả chất dinhdưỡng không giới hạn trong môitrường thì nồng độ của chúng đượcnhân với nhân tố dư (FE). Bằngcách này, nồng độ của chất dinhdưỡng đòi hỏi trong môi trườngtăng trưởng (Ereq) gấp x lần theo lýthuyết đối với nguồn carbon. Ereq = X max / YX/Ex FE (3) YX/E (the individual averageelemental growth yield) là sảnlượng tăng trưởng trung bình dựatrên từng nguyên tố. Một ví dụ cho việc thiết kế môitrường khi giới hạn nguồn carbon,cho phép tạo sản lượng sinh khốikhô đạt 10g/l sinh (bảng 13.13).Cần chú ý rằng, trong môi trườngnày các thành phần được lựa chọnsao cho có thể thay đổi nồng độ củamỗi nguyên tố (ví dụ có thể thaythể MgCl2 và NaHSO4 bằngMgSO4). Hơn nữa, môi trường nàychỉ có tính chất đệm yếu (weaklybuffered), do đó cần thiết phảikhống chế pH trong suốt quá trìnhsinh trưởng. Cách thức này được sử dụngcho việc thiết kế môi trường nuôicấy các vi sinh vật hiếu khí với mậtđộ sinh khối thấp và trung bình.Phức tạp hơn là thiết kế của môitrường cho nuôi cấy vi sinh vật kỵkhí, trong đó rất nhiều thành phầncủa môi trường dễ dàng kết tủa tạithế oxy hóa khử cần thiết, hoặc mậtđộ tế bào cao trong đó có chứa cácchất hòa tan hoặc vấn đề độc tínhcủa một số môi trường.Bảng 13.13: Thiết kế môi trườngtối thiểu bị giới hạn bời nguồn Ccho phép sản lưởng sinh khối khôđạt 10g/l a,bThành Ngu Năng Các Khối Khốiphần ồn suất nhân lượn lượnmôi sinh tố dự g các g cáctrường trưởn thừa nguy thàn g với ên tố h (g nguồ (g/l) phần sinh n cấu khối carb tạo khô/ on (g/l) g tươn nguy g ên ứng tố)Glucos C, 1 1 10 25.0e năng lượn gNH4Cl N 8 3 3.75 14.3 3NaH2 P P 33 5 1.52 5.88O4KCl K 100 5 0.5 0.95NaH2S Na 100 5 0.5 1.87O4MgCl2 Mg 200 5 0.25 0.98CaCl2 Ca 100 10 1.0 2.77FeCl2 Fe 200 10 0.5 1.13MnCl2 Mn 104 20 0.02 0.04 6ZnCl2 Zn 104 20 0.02 0.04 2CuCl2 Cu 105 20 0.002 0.00 42CoCl2 Co 105 20 0.002 0.00 44 a. Dựa vào sản lượng tăng trưởng của các nguyên tố trong sinh khối khô. b. Theo Pirt (1975), Egli và Fiechter (1981). Sản lượng tăng trưởng của C và các nguyên tố vết Zn, Cu, Mo, Mn Nhân tố YX/E được phân tíchtừ sinh khối khô khi nuôi cấy trongđiều kiện không giới hạn tăngtrưởng của hệ thống đóng. Đối vớicarbon, oxy, và hydro, YX/E khôngthể được tính toán chính xác trựctiếp từ các thành phần cơ bản của tếbào do những thành phần nàykhông chỉ tạo nên sinh khối, màcòn có các chức năng trao đổi chấtkhác.Ngoài ra, trong bảng khôngnói đến một số lượng lớn các chấtnhận điện tử cần thiết phải đượcđảm bảo cho quá trình sinh trưởng. Tính chất hóa học của cácthành phần trong môi trường sinhtrưởng phải được tính đến khi chọnFE. Ví dụ, phần lớn các nguyên tốvi lượng dễ dàng kết tủa trong môitrường sinh trưởng ở pH trung tínhhoặc kiềm và do đó giảm bớt khảnăng hấp thụ sinh học (khó khăn đểxác định). Do đó, chúng được thêmvào nhiều gấp 10 tới 20 lần(Bridson và Brecker, 1970). Trong công nghệ sinh học, quátrình nuôi cấy theo mẻ (batch) vànuôi cấy theo mẻ có bổ sung (fed-batch) được nghiên cứu từ lâu vì rấtcó lợi khi thiết kế các môi trườngchứa tất cả nguyên tố với lượngchính xác lượng cần thiết, sao chotất cả các nguyên tố phải được tiêuthụ hết tại cuối kì tăng trưởng. Tuynhiên, rất khó khăn có thể đạt đượcđiều này do tính đa dạng của cácnguyên tố và sự phụ thuộc củachúng vào điều kiện nuôi cấy.Tấtnhiên, trong công nghệ sinh học,việc tối ưu hóa môi trường là rấtquan trọng để tính toán sự tiêu thụchất dinh dưỡng và để hạn chế tốiđa sự hao phí nguyên liệu, hóa chất.Bảng 13.14: Các nhân tố tăngtrưởng sản lượng của các chất chovà nhận điện tử Các chất cho điện tử H2 YX/H2 = 12g/mol S2O3 ...