Характеристика: Рост популяции замедляется по мере истощения питательных веществ и/или накопления токсичных продуктов метаболизма.​ Процессы: удельная скорость роста начинает снижаться и становится зависимой от концентрации субстрата (S) и/или продуктов метаболизма (P), запуск стресс-ответов.​ Причины замедления: Падение доступности жизненно важных веществ,

повышение осмотического или кислотного стресса, возникновение конкуренции между клетками за ресурсы.​ Значение: это критическая точка адаптации и перестройки метаболизма, которая

позволяет популяции микробов перейти от активного размножения к стратегиям выживания.

5. Стационарная фаза

Характеристика: число делящихся клеток ≈ числу погибающих, общий прирост прекращается.​ Процессы: Активность метаболизма снижается, некоторые клетки переходят в

состояние покоя (споры, цисты и др.), у некоторых видов наблюдается синтез антибиотиков или вторичных метаболитов.​

Причины:​

истощение питательных веществ,​ накопление токсичных метаболитов,​ изменение pH среды​

Значение: это адаптационный этап, позволяющий популяции пережить неблагоприятные условия.

6. Фаза отмирания (фаза автолиза)​

Характеристика: Численность жизнеспособных клеток начинает уменьшаться, поскольку скорость гибели превышает скорость образования новых клеток.​ Причины: Полное истощение питательных веществ. высокая концентрация токсичных продуктов метаболизма, нарушение гомеостаза в клетках.​ Процессы: Автолиз (саморазрушение) клеток, могут остаться только устойчивые к

стрессу формы — споры, покоящиеся клетки и др.

Значение: это просто окончание роста популяции

Доп инфа: (Рост микробных популяций в замкнутых (периодических) системах всегда ограничен определёнными факторами. Эти ограничения называются лимитированием роста, и они могут проявляться в двух основных формах:

стехиометрическое и кинетическое лимитирование.

Стехиометрическое - когда рост останавливается из-за исчерпания субстрата.

Кинетическое - когда скорость роста зависит от концентрации субстрата, T.e. увеличивается с увеличением концентрации субстрата до некоторого предела, после которого лимитирующим становится другой фактор.)

4. Зависимость уравнений скорости роста от факторов среды. Формула Моно и ее модификации.

https://library.biophys.msu.ru/LectMB/lect11.htm

При неограниченных ресурсах питательных веществ величина µ постоянна, и уравнение (11.2) описывает экспоненциальный рост популяции клеток. Если же какие-либо причины начинают лимитировать рост, величина µ будет уменьшаться. Для микробиологических систем обычно величина, лимитирующая рост, это концентрация субстрата. Наиболее распространенная форма записи, учитывающая насыщение скорости роста культуры по питательному субстрату, предложена Моно: ​

Здесь mm -максимальная скорость роста микроорганизмов при данных условиях; KS -

константа, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость роста культуры равна половине максимальной. График функции величины скорости роста от концентрации субстрата приведен на рис. 11.3

​

Вид уравнения Моно аналогичен формуле Михаэлиса-Ментен из ферментативной кинетики. И это не только формальное сходство. В основе жизнедеятельности любой клетки лежат ферментативные процессы. Скорость роста биомассы в конечном счете определяется скоростью переработки лимитирующего субстрата ферментом узкого места в метаболической сети. Пусть концентрация фермента на единицу биомассы равна E0. Тогда по закону Михаэлиса, скорость переработки субстрата единицей биомассы определяется формулой:

Здесь Km - константа Михаэлиса, k - константа скорости реакции. Вся биомасса концентрации x обладает количеством фермента E0x, Следовательно, суммарная скорость убыли субстрата равна

Предположим, что прирост биомассы пропорционален убыли субстрата:

Обозначив K0=Km и µm = kE0/a, получим формулу (11.4).

В формулах (11.4) и (11.6) имеются важные различия. Формула Михаэлиса-Ментен (11.6) относится к отдельной ферментативной реакции, все входящие в нее константы выражаются через скорости соответствующих биохимических реакций. В формуле Моно (11.4) константы скоростей KS и µm являются эффективными величинами и определяются по эмпирической зависимости скорости роста культуры от концентрации питательного субстрата.

Формула Моно:

Формула Моно описывает зависимость удельной скорости роста микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата

(питательного вещества):

Интерпретация:

●​ При низких концентрациях субстрата (S K ):

рост прямо пропорционален концентрации субстрата (ограничение по питанию).

●​ При высоких концентрациях субстрата (S K ):

организм достигает своей максимальной скорости роста — насыщение.

Биологический смысл параметров:

Модификации формулы Моно:

1. Модификация уравнения Моно с коэффициентом Хилла

Применяется, если перенос субстрата или ферментативная реакция демонстрирует кооперативное поведение.

Формула:

2. Формула с учётом затрат энергии на поддержание жизнедеятельности

Когда микробам приходится тратить энергию на базовое существование (даже без роста), это влияет на эффективную скорость

роста. Вводится параметр пороговой концентрации субстрата Smin​, ниже которой рост невозможен.

Формула:

3. Субстратное ингибирование (ингибирование при избытке)

и нахождение оптимальной концентрации субстрата

Формула с учётом субстратного ингибирования (модель Эндрю или Холдэйна):

5. Непрерывное культивирование микроорганизмов. Теория хемостата.

Непрерывные культуры микроорганизмов это культуры, в которые все время добавляется питательная среды, а часть содержимого, в том числе живые организмы биомасса постоянно удаляется.

Простейшая модель — когда скорость потребления субстрата пропорциональна скорости роста, называется моделью Моно-Герберта. Непрерывная культура с постоянным протоком среды через культиватор называется хемостат. Теория и практика хемостата была разработана в 1950-е гг. (Monod, 1950).

Хемостат - биореактор для непрерывного культивирования, в котором: ●​ Поддерживается постоянный объем культуры

●​ Обеспечивается непрерывная подача свежей питательной среды

●​ Происходит удаление культуральной жидкости с биомассой

●​ Достигается стационарное состояние (steady-state)

Ключевое отличие от периодического культивирования:

●​ В хемостате рост культуры не ограничен истощением субстрата

●​ Возможно длительное поддержание экспоненциальной фазы роста

Хемостат состоит из сосуда-культиватора, в который из особого резервуара поступает с постоянной скоростью питательный раствор.

Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения клеток кислородом и для более быстрого и равномерного распределения питательных веществ, поступающих с новыми порциями раствора. По мере поступления в культиватор питательного раствора из него вытекает бактериальная суспензия.

S - субстрат на выходе; Ks - константа насыщения; D - скорость протока; um - максимальная удельная скорость роста; x - биомасса на выходе; S0 - стерильный

субстрат; Y - выход по биомассе.

6. Смешанные культуры в хемостате. Принцип конкурентного исключения, его нарушение в природных экосистемах.

Система, где одновременно культивируются два и более штамма/вида микроорганизмов в одном хемостате.

Особенности динамики:

●​ Конкуренция за лимитирующий субстрат ●​ Возможность кооперативных взаимодействий

●​ Формирование сложных трофических цепей​

"Два вида, конкурирующие за один лимитирующий ресурс, не могут устойчиво сосуществовать в одной экологической нише." - принцип конкурентного

исключения Гаузе