С.Дж.Перт

энергетические затраты на выполнение функций поддержания

остались незамеченными, можно объяснить, по-видимому, сле­

дующим обстоятельством: либо различие в скорости роста было слишком небольшим, либо ограничение аэрации привело к уве­

личению выхода АТФ, что маскировало энергетические затраты

на поддержание.

8.5. Выход биомассы в расчете на выход АТФ (УдтФ)

Бушоп и Элсден [ 17] определили количество биомассы, син­

тезированной в расчете на l моль АТФ, как

где п - число молей АТФ, образующихся при расщеплении од­ ного моля энергетического субстрата; М - молекулярный вес (в граммах) энергетического субстрата и МУЕ - экономический

коэффициент в молях, когда УЕ выражается в граммах образо­

ванной сухой биомассы на l грамм энергетического субстрата.

Указанные исследователи [ l 7] установили, что УАТФ составляет

дует, что количество энергетического субстрата, необходимого

для синтеза данного количества биомассы, должно быть прямо пропорциональным числу (п) молей АТФ, получаемых при

метаболизме одной молекулы энергетического субстрата. Фак­

торы, влияющие на образование АТФ, такие, как разобщение

окислительного фосфорилирования или изменения в метаболи­

ческих путях, будут влиять и на значение УЕ. Энергетические

затраты на поддержание также будут оказывать действие и на

УАТФ, как это следует из уравнения (8.l 9). Следовательно, мак­

симальная ВеЛИЧИНа УАТФ, Т. е. Улт~, ВЫражаеТСЯ СЛедуЮЩИМ

отношением, полученным из уравнения (8.11):

вкотором за единицу источника энергии принимается одна

грамм-молекула АТФ. Стаутхамер и Беттенхаузен [309] указы­ вают, что влияние энергии поддержания на УАтФ очень недооце­

нивается и что эта энергия является одним из факторов, обу­

словливающих широкий диапазон значений УАТФ.

При теоретическом расчете, основанном на данных об энер­

гетических затратах на синтез бактериальных клеток из глюко­

зы, аммиака и неорганических солей, оказалось, что УАтФ равно 28,8 [308]. Замена аммиака на аминокислоты мало влияет на

эту теоретическую величину, однако при добавлении азотистых

оснований теоретический максимум УАТФ увеличивается до 32, l

[308]. При добавлении к минимальной среде для бактерий

аминокислот, азотистых оснований и витаминов значение УЕ

практически изменяется незначительно [134]. При синтезе био­

массы из двуокиси углерода (автотрофный метаболизм)

теоретический максимум УАТФ (4,85) оказывается значительно

ниже. Если в качестве источника энергии используется уксус­

ная кислота, то значение теоретического мак,симума составляет

10,0 [308]. Оценивая величину УАТФ для клеток, выросших на

углеводах, Стаутхамер и Беттенхаузен [309] пришли к заклю-

б утах

чению, что для актериальных культур АТФ может достигать

25. Они опреде.1шли также количество молекул АТФ, образую­

щихся на каждый атом поглощенного кислорода (отношение

Р/O) у некоторых видов аэробных бактерий. Это число оказа­ лось равным 1,9.

В заключение можно сказать, что, исходя из чистого выхода

АТФ (п) в расчете на l моль потребленного энергетического субстрата, можно предсказать значение экономического коэф­ фициента при культивировании на данном субстрате и что зна­ чение УлтФ может варьировать в пределах от 5 до 32 г сухой биомассы на l моль АТФ в зависимости от природы использо­ ванного источника углерода. Необходимо также иметь в виду, что установленное значение УАТФ может оказаться значительно

ниже ее максимального теоретического значения, во-первых, в

связи с расходом АТФ на процессы поддержания и, во-вторых,

в результате разобщения образования АТФ и окисления энер­ гетического субстрата.

8.6. Условия, влияющие на метаболическую судьбу

источников углерода и энергии

На пути превращения, конечные продукты и выход АТФ для

того или иного источника энергии или углерода большое влия­

ние могут оказывать концентрация растворенного кислорода,

значение рН, температура, ионная сила среды и недостаточное содержание в среде микроэлементов. Эти вопросы мы рассмот­

рим позднее в соответствующих разделах. На метаболизм источ­

ников углерода и энергии могут также оказывать влияние удельная скорость роста и содержание источника углерода -

присутствует ли он в избытке или в количестве, лимитирующем

рост.

От удельной скорости роста зависит судьба глюкозы, сбра­

живаемой Lactobacillus casei [80]. При низких скоростях роста

в качестве конечных продуктов образуются ацетат, формиат и

этанол, при высоких же скоростях роста глюкоза полностью

перерабатывается в молочную кислоту. В аэробных условиях на

среде с глюкозой в хемостатной культуре Klebsiella aerogenes

(лимитация азотом) образование больших количеств а-кетоглу­ тарата наблюдалось при очень низкой скорости роста, но не при

высоких скоростях [3 l 7].

Когда в культуре К. aerogenes глюкоза и кислород присут­ ствуют в избытке, в культуральной жидкости накапливаются большие количества пирувата; в условиях лимитации роста

глюкозой практически все количество источника углерода пре­

вращается в биомассу и двуокись углерода [l24J. В культуре Aerobacter cloacae при избыточном содержании глюкозы и кис­ лорода накапливается ацетат [243]. Следовательно, когда бак­

терии развиваются в среде с избыточным содержанием кислоро­ да и источников углерода и энергии, окисление субстрата может быть неполным. Кроме того, когда источник энергии находится е избытке, он может запасаться в качестве энергетического резерва, обусловливая значительную часть веса сухой биомас­

сы [347].

8.7. Потребление двух и более источников углерода

Часто в периодических культурах, содержащих в качестве

источников углерода несколько различных субстратов, потребле­

ние этих субстратов клетками происходит последовательно. На­

пример, в культуре Escherichia сначала используется глюкоза, а

затем лактоза [216]. При этом использование одного субстрата

может быть ингибировано другим, что связано с репрессией

синтеза ферментов и ингибированием пермеаз [212].

В хемостатных культурах, когда среда содержит два источ­

ника углерода и рост лимитирован углеродом, оба субстрата

могут потребляться культурой одновременно в широком диапа­ зоне скоростей разбавления. Например, Кlebsiella aerogenes по­

требляет одновременно глюкозу и лактозу [ 10], глюкозу и

мальтозу [126], глюкозу и ацетат [собственные неопубликован­ ные данные]; Escherichia coli одновременно использует глюкозу

и ксилозу [304]. Когда источник углерода не лимитирует роста, например при лимитировании роста азотом, наблюдается пред­

почтительное использование одного из источников углерода. Так,

лимитированные азотом виды Pseudomonas потребляли сначала ацетат, а затем глюкозу [223]. При лимитации же культуры

углеродом оба указанных источника углерода использовались

одновременно (Перт, неопубликованные данные).

8.8. Снабжение культур двуокисью углерода

Потребность в двуокиси углерода объясняется двумя причи­

нами. Во-первых, для автотрофных бактерий и водорослей СO2

служит источником углерода, и., во-вторых, СО2 - важный

циальное давление растворенного СО2; Н для водного раствора

при 30 °С равно 0,030 моль/атм, что приблизительно в 30 раз

выше соответствующего показателя для кислорода. Для кон­ стант ионизации Н2СО3 мы имеем

Строго говоря, вместо концентрации следовало бы указывать активно,сти, однако в данном случае принимается, что коэффи­

циенты активности равны 1. Вычисленные концентрации би­

карбонатных и карбонатных ионов при различных значениях рН

8.10.Влияние парциал~ного давления С02 на рост

иметаболизм

Изучение влияния парциального давления двуокиси угл&ро­

да на рост микроорганизмов, как правило, ограничивается срав­

нительными исследованиями в присутствии или в отсутствие

4 Зак. 737

98 Г,tава 8

СО2. Так, в частности, установлено, что график зависимости

приблизительно такое же значение, как и К., для обычных ис­ точников углерода. Максимальная скорость роста К. aerogenes наблюдается при Рсо,, равном примерно 1о-з атм. Львов и Моно

[192] показали, что при Рсо,=3 · 10- 5 атм скорость роста

Escherichia coli на минимальной среде с глюкозой значительно

падает, но этот эффект может быть предотвращен добавлением

10-4 М глутарата, сукцината, аспарагина или глутамата, причем наиболее эффективным оказался глутамат. Этот эффект доба­

вок не был аддитивен. При Рсо, = 6 · 10- 6 атм рост фактически

прекращался и при внесении добавок не восстанавливался. Ве­ роятно, внесенные добавки не могут заменить собой СО2, но спо­

собны уменьшить его потребление.

Существует предположение, что Рсо, имеет критическое зна­

чение не только для роста, но и для других функций микроорга­

низмов [350], однако пока еще это не доказано. Вместе с тем

экспериментально с помощью автоматического контроля концен­

трации растворенного СО2 обнаружено, что избыточное образо­ вание инозина клетками Bacillus suЫilis сильно ингибируется

при Рсо, > 0,03 атм [155]. Более того, результаты этой работы

указывают также, что СО2 является более сильным ингибито­ ром, чем бикарбонат-ионы.

8.11.Углеводороды как источники углерода и энергии

Всвязи с широким распространением и относительно низкой

ценой углеводороды приобретают все большее значение в каче­

стве субстратов, используемых в промышленности для получения

белка ·одноклеточных и для 'превращения их в более ценные продукты. Отличительной особенностью углеводородов является их нерастворимость, чем, вероятно, объясняется в какой-то мере

недостаток внимания к ним со стороны микробиологов. Макси­ мальная растворимость н-алканов составляет около 60 мг/л при

длине цепи от С2 до С4 и снижается при увеличении длины

углеродной цепи в соответствии с выражением

где Н - растворимость, выраженная в мг/л, и п- число атомов

углерода в молекуле [ 158]. Данные табл. 9 показывают, что,

начиная с октана, растворимость падает ниже 10-5• Поскольку

11 Данные взяты нз работы Джонсона [158].

значение К, для источников углерода и энергии обычно превос­ ходит 10-5 М (табл. l), представляется маловероятным, чтобы потребление клеткой растворимых углеводородов (высших гомо­ логов) происходило бы достаточно быстро, чтобы обеспечить рост с удельной скоростью выше 0,2 ч-1 . Джонсон [158], исходя

из законов диффузии, подсчитал, что «даже в случае, когда кон­

станта Михаэлиса равна нулю, при развитии на средах с доде­

каном и более высокомолекулярными углеводородами нельзя

получить сколько-нибудь значительной скорости роста, если только не сработает какой-то специальный механизм потребле­ ния субстрата». Этим специальным механизмом может оказаться потребление углеводородов непо,средственно из гидрофобной

фазы [149]. Следовательно, размеры маслянистых капелек и

поверхность раздела фаз масло - вода будут оказывать боль­

шое влияние на скорость роста. По существу скорость роста на

средах с высшими гомологами алканов может лимитироваться

площадью общей поверхности раздела фаз масло - вода, а это находит свое отражение в том, что начинается фаза линейного

роста в периодической культуре. На принципе прямого транс­

порта углеводородов из нерастворимой фазы в клетку были

предложены модели для хемостатных культур микроорганизмов

[149]. Из обобщенных представлений об ожидаемых результа­

тах при росте в хемостате при разных скоростях разбавления

(рис. 31) Хэмфри и Эриксон [149] вывели следующее заключе­

ние: «l. Диспергирование фазы при непрерывном культивиро­

вании обеспечивает обычно лишь незначительные скорости потребления субстрата, за исключением низких скоростей раз­

бавления. 2. Концентрация клеток уменьшается довольно резко

со скоростью разбавления. (Это было подтверждено результа­

тами других исследователей [221].) 3. Оптимальная производи­ тельность (Di) не достигается при условиях, близких к вымы­ ванию. Она достигается при относительно низких значениях

D/µmax- обычно в диапазоне от 0,2 до 0,4».

4•

Сравнение значения экономических коэффициентов для ро­ ста на углеводородах (табл. 5) показывает, что количество уг­ лерода субстрата, перешедшего в углерод биомассы, то же, что

и для других субстратов, а главным различием между ростом

на углеводородах и ростом на углеводах является значительно

Рис. 31. Общее представление о влиянии скорости разбавления на концен•

трацию биомассы, концентрацию субстрата (углеводорода) и производитель•

ность [149].

D- скорость разбавления, µт -максимальная удельная скорость роста при росте иа угле

водородах. /- субстрат, 1/ -пронзводительность, / 11- биомасса.

большая потребность в кислороде при использовании углеводо­ родов (разд. 9.2). Значение экономического коэффициента в

случае сред с углеводородами значительно возрастает, когда

вместо простых периодических культур с избытком в среде углеводородов используются периодические культуры «с дроб­ ным добавлением питания» (разд. 21.1) и лимитацией роста

углеродом [357].

8.12. Диспергирование углеводородов в жидкой среде

Удобным способом введения твердых углеводородов в среду

является использование другого инертного углеводорода в ка­

честве растворителя. Так, для растворения С20 и-алканов был

использован 2,6, 10,14-тетраметилпентадекан [ 158].

Поверхностно-активные вещества, действуя как эмульгирую­ щие агенты, способствуют увеличению поверхности раздела