Основы материально-энергетического баланса микробного роста

04 Января в 14:13 974 0


Первые работы по составлению материального баланса роста популяций клеток основаны на применении закона сохранения вещества по каждому химическому элементу к метаболизму. Получаемые уравнения аналогичны уравнениям элементного баланса химических реакций. Например, уравнение для алкогольной ферментации глюкозы записывалось в виде
С6H12O6 — 2CH3СН2ОН + 2СО2 (7.1)
Последующее развитие этого подхода привело к выводу ряда уравнений для ассимиляции субстрата клетками, где внутриклеточный продукт первичной ассимиляции в большинстве случаев считался углеводами и обозначался как СН2О, например:
(Ацетат)   2СН2СООН + 3О2 — (СН2О) + 3СО2 + ЗН2О (7.2)
(Сукцинат) С4Н6О4 + 2,5O2 — (CH2O) + 3CO2 + H2O
Ощутимый шаг в развитии теории материального баланса сделал Тамия в 1932 г. Он использовал вместо СН2О точный элементный состав клеток (C86H160O45N7) - другие элементы отбрасывались ввиду их малого содержания в биомассе.

Состав биомассы и субстрата был выражен им в общем виде (7.3). Он сформулировал уравнения материального баланса для образования биомассы клеток из вещества субстрата в процессе клеточного дыхания. Эти уравнения написаны по отдельности для случаев, когда субстрат имеет более высокую или меньшую восстановленность, чем биомасса, а также для случаев, когда источником азота служит аммиак или нитрат. Вместо восстановленности использован параметр, названный коэффициентом сгорания.

Например, для субстратов, имеющих меньшую чем биомасса восстановленность, образование биомассы и окисление субстрата в процессе дыхания записаны в виде
Например, для субстратов, имеющих меньшую чем биомасса восстановленность, образование биомассы и окисление субстрата в процессе дыхания записаны в виде(7.3)
Здесь n - числа атомов элементов, помеченные индексами соответствующих элементов, а также буквами S или В для субстрата и биомассы; CQ = с/о - коэффициент сгорания, который был получен из (7.3) и представлен в виде
CQ = nc / (4nc + nн - 2no). (7.4)
Или для азотсодержащих субстратов состава CnCSHnHS0n0SNnNS, где продуктом биологического окисления является аммиак, из (7.4) получено выражение в виде
CQ = nc / (4nc + nH - 2n0 - 3nN). (7.5)
В ранних работах отсутствовал анализ роста как единого процесса, где совмещены дыхание и образование биомассы.

Дальнейшие исследования в этой области привели к уравнениям элементного баланса роста микробных культур как единого процесса, включающего и образование биомассы и генерацию энергии для этого. Состав биомассы и стехиометрические коэффициенты стали определять экспериментально. Например, для роста на этаноле получено уравнение
СН3СН2ОН + 1,82О2 + 0,15NH3 = = 1,03CH1,72 00,44 N0,15 + 0,97C02 + 2,31Н2О (7.6)
Вышеописанные работы по элементному балансу микробного роста показали, что законы сохранения вещества определяют связи между потреблением веществ в метаболизме и продуктами роста. Однако в них не была раскрыта связь между элементным составом и биологически доступной энергией веществ - участников процесса роста.

Эта связь вытекает из самого определения величины выхода как отношения удельной скорости роста к удельной скорости потребления субстрата. Другой важный аспект такой зависимости, отражающей глубокие физиологические и биоэнергетические свойства метаболизма клеток, заключается в распределении потребленного субстрата на две части (используемые на рост их биомассы и поддержания существующей биомассы).

Общая масса потребленного субстрата как источника энергии для роста разделяется на два слагаемых: AS = ASg + ASm, где индексы g и m означают, соответственно, рост и поддержание. Деление обеих частей на прирост биомассы АХ с учетом АХ = pXAt позволило получить
1/Fx/s = 1/Ygx/s + ms/д, (7.7)
где Y°x/s = AX/ASg - выход роста биомассы из субстрата; mS = ASm/At - удельная скорость затрат субстрата на поддержание клеток, г субстрата на г существующей биомассы в час, т.е. ч-1.

Умножение (7.7) на удельную скорость роста ц дает:
qs = ц/ Y°x/s + ms. (7.8)
Аналогично, для кислорода как субстрата:


qs = Ц/ Y°X/0 + mo , 1/Yx/o = 1/Y°x/o + mo/ц. (7.9)
и выхода биомассы из образованной ATP:
1/Yx/atp = 1/Y°x/atp + m atp/ц . (7.10)
Величина mATP более близка к клеточной биоэнергетике, чем mS и mO, поскольку характеризует скорость затрат переносчика энергии (ATP) на поддержание клеток.

Существующие затраты на поддержание клеток пропорциональны удельной скорости роста:
ms = mso + msi Ц. (7.11)
Это говорит о природе и о регуляции процессов круговорота вещества в живой клетке. Подстановка (7.11) в (7.7) и (7.8) дает следующий вид этих соотношений:
1/Yx/s = l/Ymx/s + mso/ц, qs = = ц/ Гх/s + mso, l/Ymx/s = 1/Y°x/s + msi, (7.12)
где YmX/S - «максимальный» выход биомассы, достигаемый при удельной скорости роста много большей, чем msO.

Параметры YmX/S и mSO определяются по результатам экспериментов. Проводят серию стационарных режимов непрерывного роста культуры при разных значениях ц. Получаемая линейная зависимость 1/Yx/s(1/m) или qS(m) обрабатывается с использованием (7.12), что позволяет найти YmX/S и mSO.

Выделение затрат того или иного субстрата на поддержание клеток, расчет ц - зависимой компоненты этих затрат и разработка вышеприведенных выражений, описывающих влияние скорости роста на выход биомассы и скорость потребления этого же субстрата, явились важным продвижением в области баланса и кинетики роста клеточных популяций.

Однако представленные выражения не описывают полный материальный баланс роста популяции. Связь величин mS и m0 с энергией количественно не подтверждена (затраты энергии субстрата на поддержание клеток), но не выражена явно. Такую связь отражает величина тАтр. Но ни одна из величин YmX/S, YGX/S, Ygx/atp не выражена через энергосодержание субстрата.

Рост популяций микроорганизмов имеет два количественных аспекта, тесно связанных между собой - стехиометрический и кинетический. Кинетика есть совокупность закономерностей, определяющих зависимость скоростей метаболических процессов от свойств самого объекта и факторов внешней среды, влияющих на него. Стехиометрические закономерности определяют соотношение между этими скоростями.

Входящие в метаболизм клеток потоки перераспределяются, вещество органического субстрата попадает не только в биомассу, но и в продукты метаболизма, энергия субстрата не только включается в биомассу, но и рассеивается в виде тепла. В случае двух химических реакций, использующих один и тот же субстрат, отношение расходящихся потоков не представляет интереса, так как легко находится, если известны зависимости обеих скоростей от условий среды. В метаболизме имеет место иная картина.

Чисто линейные участки в нем практически не встречаются, он представляет собой большую сеть из переплетающихся реакций, связанных стехиометрическими и регуляторными кинетическими связями.

Эксперименты по культивированию микроорганизмов указывают на то, что какой-то из больших метаболических потоков, например от органического субстрата в биомассу, может быть ведущим, а остальные привязаны к нему и через него зависят от внешней среды. Важным фактором, определяющим соотношение скоростей входящих и выходящих потоков, являются связи и ограничения, определяемые законом сохранения вещества и законами термодинамики.

Они образуют жесткие физико-химические рамки, внутри которых действует кинетика и которые в значительной степени ответственны за определенность свойств биологического объекта. Задача заключается в выявлении физико-химических основ стехиометрии роста микробных популяций и максимальном использовании этих закономерностей в исследованиях эффективности и скорости роста микроорганизмов на различных источниках вещества и энергии в различных условиях.

Исследование баланса вещества и энергии при росте популяций микроорганизмов включает в себя следующие аспекты: количественные соотношения между различными стехиометрическими коэффициентами, описывающими распределение потоков вещества в метаболизме; взаимосвязь балансов вещества и энергии при росте микробных популяций; механизмы влияния среды и характеристик клеточного метаболизма на эффективность и скорость роста; максимальная достижимая эффективность роста популяций на различных субстратах; использование найденных закономерностей в исследовательской и технологической практике.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы