С.Дж.Перт

субстрат или обладающий ингибиторными свойствами продукт

метаболизма не станет фактором, лимитирующим рост (257].

Рост в форме шариков отклоняется от экспоненциального зако­

на и, по имеющимся данным, следует закону кубического корня

для многих циклов удвоения биомассы [245, 327]. Этот закон

будет справедливым, если весь рост происходит на внешней

Аб

Рис. 83.

А. Схема поперечного сечения через центр шарика биомассы с периферической зоной

Если М - общая масса п шариков (принимается, что диаметры

их одинаковы) и р- плотность биомассы, то М = 34 nr3pn. Под•

ставив значение r из уравнения (22.34), получаем уравнение

В случае шариков биомассы Aspergillus nidulans было уста­

новлено, что их радиусы увеличиваются в соответствии с линей­

ным законом (уравнение (22.34)] (327]. Изменение удельной

скорост,и роста под влиянием температуры показало, что k сх µ

согласуется с уравнением (22.35). Значение w практически по­

стоянно при 0,45 мм и, следовательно, не зависит от изменений

µ.Следует отметить, что значение w приблизительно равно

половине ширины периферической зоны роста колонии этого же

·организма, растущего на агаризованной среде того же самого

состава (см. разд. 23.4.2). Было также показано в соответствии

с предсказанием уравнения (22.35), что k сх п'!, [327]. В этой же

работе было отмечено следующее: периоду, когда рост шариков

А. nidulans подчиняется закону кубического корня, предшеству­

ет период экспоненциального роста. Этот период экспоненциаль­ ного роста, в течение которого практически все гифы были

растущими, заканчивался, когда диаметр шарика достигал при­

~1ерно 4 w.

22.8.2. Лимитация диффузией субстрата

Если биомасса в шарике настолько компактна, что субстрат может поступать внутрь только путем диффузии, то размер ша­ рика, при котором диффузия становится фактором, лимитиру­ ющим рост, определяется следующим путем. Рассмотрим ба­ ланс субстрата в зоне от центра шарика по радиусу r (рис. 83, Б). Сделаем упрощающее допущение, что метаболический коэффи­ циент (q) для лимитирующего рост субстрата - величина по­ стоянная и не зависит от концентрации субстрата до тех пор,

пока последняя не достигнет практически нуля; допустим так­

же, ч·то система находится в стационарном состоянии, при ко­

тором

s

откуда

(22.38)

Радиус шарика достигает «критического» значения (Rc) тогда,

когда диффузия субстрата становится фактором, лимитирую­

щим рост шарика, т. е. когда ко1щентрация субстрата в центре

циент. Вероятнее всего роль лимитирующего рост субстрата при аэробном культивировании играет кислород. Экспериментально

установлено, что при напряжении растворенного кислорода в

среде 0,21 атм величина критического радиуса шариков Penl-

роль лимитирующего фактора играла глюкоза ( 1%), то, по под­ счетам Перта (245], значение критического радиуса составляло

бы от 1 до 2 мм. Более строгий и тщательный теоретичеекий ана­ лиз диффузии кислорода внутрь шариков был выполнен другими

2,5 мм [327]. Из этого можно сделать следующий вывод - ша­

рики Aspergillus имеют значительно более рыхлую, открытую

структуру, чем шарики Penicillium.

В центре плотных шариков гриба происходит автолиз гиф

с вытеканием цитоплазмы наружу [38]. Это явление связано,

вероятно, с недостатком кислорода внутри шариков и свиде­

тельствует о том, что мицелий в форме шариков может стано­

виться более гетерогенным по сравнению с мицелием нигевид­

ной формы.

22.3.3. Причины,

обусловливающие образование мицелием шариков

Какие факrоры определяют, пойдет ли формирование раз­ вивающегося мицелия по пути образования шариков или воло­ кон, точно не известно. По-видимому, имеет значение и коли­

чество посевного материала и природа субстратов [38]. В ука­ аанном исследовании было обнаружено, что Penicillium chrysogenum образовывали шарики, когда количество конидий

в посевном материале было ниже критической концентрации,

составлявшей около О,3 ·106/мл минимальной среды и 106/мл богатой среды (кукурузный экстракт). Для Aspergillus nidulans при развитии на минимальной среде отмечено устойчивое

образование шариков независимо от концентрации конидий до

риков. Тринчи [327] высказал предположение, что способность

конидий собираться в виде хлопьев может быть важным фак­ тором в образовании шариков. Интенсивность аэрации и обра­ зование при этом завихрений слоев жидкости способны также

влиять в значительной степени на формирование мицелиаль­ ных шариков, однако эти факторы, очевидно, еще не исследо­

вались. Перт и Кэллоу [257] отмечают, что в хемостатной

культуре Penicillium chrysogenum образование шариков инду­ цировалось значениями рН выше 7,0, но не более низкими

3начениями.

Глава 23

РОСТ КОЛОНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛОТНЫХ СРЕД

23.1.Введение

По своей способности заселять, образовывать колонии на

поверхности различных материала~ микроорганизмы поистине вездесущи, а выращивание колонии микроорганизмов на плот­

ных средах - один из основных методов изучения поведения

микробов при исследованиях в лабораториях. Следовательно,

принципы роста колонии имеют фундаментальное значение.

С 1925 г. [95], когда было установлено, что разрастание коло­

нии гриба по поверхности субстрата происходит с постоянной

скоростью, для изучения различных факторов, влияющих на

рост грибов, стали использовать показатели скорости роста колонии. Более поздние теоретические и экспериментальные исследования способствовали более глубокому пониманию сущ­

ности скорости роста колони и. Рост колоний бактерий более

сложный процесс, чем рост колонии грибов, однако в некото­ рых условиях увеличение размеров бактериальной колонии

происходит путем линейного роста [246].

23.2. Модель роста колонии

Перт [246] предложил модель, с помощью которой можно

количественно охарактеризовать скорость роста колонии.

В этой модели предполагают, что вначале, когда внесено не­

большое количество клеток микроорганизма в качестве посев­

ного материала для образования колоний на питательном

агаре, размножение протекает так, что все клетки в одинако­

вой степени участвуют в увеличении популяции. Соответственно рост всей популяции идет с максимальной экспоненциальной

скоростью до тех пор, пока концентрация источников питания

остается значительно выше константы насыщения (значения

питательных веществ из агара является причиной создания

Ks) и пока среда не ингибирует роста. Потребление колонией

этих веществ создаст в агаре градиент концентрации (рис. 84, А).

Вероятно, рост колонии по направлению вверх быстро падает почти до нуля из-за противодействия диффузии питательных веществ, что соответствует теории диффузии субстратов в слой

зоны имеет форму треугольника. Были получены убедительные

данные [58] о том, что биомасса бактериальной колонии, рас­

положенная в центре, не участвует в процессе радиального

разрастания колонии. Об этом свидетельствовала неподвиж­

ность маленьких и легких ча,стичек графита, которые были

нанесены на центральную часть колонии и которые не изме­

нили положения по отношению друг к другу. Высота колоний (0,5 мм) оставалась приблизительно постоянной, так что коло­ нии имели вид дисков одинаковой высоты. На более поздних стадиях роста в колониях появлялись углубления в центре.

Во время периода замедленного увеличения радиуса коло­

нии, последовавшего за периодом постоянной скорости роста,

скорость увеличения площади колонии была постоянной [58],

поскольку значение квадрата радиуса возрастало во времени

ввести допущение, что w становится обратно пропорциональным

23.3.2. Влияние глубины агара на скорость роста колонии

Перт [246] обнаружил, что скорость радиального роста

бактериальных колоний достигает максимума в том случае, если глубина агара превышает 3,4 мм. В дальнейшем Перт (не­

опубликованные данные) установил, что использование более глубокого слоя питательного агара ведет к увеличению дли­

тельности линейной фазы роста. Экспериментально показано, что увеличение глубины агара до 12 мм при лимитации роста

глюкозой создает условия, позволяющие колонии расти с мак­

симальной радиальной скоростью в течение 150 ч вместо 35 ч при глубине агарового слоя 3,2 мм. Эти результаты свидетель­ ствуют о том, что переход от закона линейного роста к закону

площадей связан, по-видимому, с концентрационным градиен­

том субстрата, лимитирующего рост, который распространяется

до самого нижнего слоя агара, как это показано на рис. 84, В.

Этот вывод подтверждается результатами расчетов скоростей

диффузии [58]; показавших, что закон площадей применим при

концентрационном градиенте глюкозы, достигающем дна чашкч

Петри. Как можно видеть из рис. 84, В, такое условие приведет

к уменьшению ширины периферической зоны, полностью снаn­

жаемой питательными веществами.