В периодической культуре условия все время меняются; плотность по­пуляции бактерий возрастает, а концентрация субстрата уменьшается. Во многих физиологических исследованиях представляется, однако, же­лательным, чтобы клетки могли долгое время находиться в фазе экспо­ненциального роста при постоянной концентрации субстрата в неиз­менных прочих условиях. В какой-то мере приблизиться к такому положению можно, многократно и достаточно часто перенося клетки в новую питательную среду. Той же цели было бы, очевидно, проще достичь, если в сосуд, содержащий популяцию растущих бактерий, не­прерывно вводить новый питательный раствор и одновременно удалять из него соответствующее количество бактериальной суспензии. Именно

такой метод положен в основу непрерывного культивирования в хемо-статах и турбидостатах.

Рост в хемостате. Хемостат (рис. 6.9) 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.

Обозначим объем сосуда через V (литров), а скорость поступления питательного раствора - скорость притока - через / (литров в час); тогда скорость разведения D будет равна//И Величина D, таким образом, от­ражает объем жидкости, сменяемый за 1 ч. Если бы при запуске хемо-стата бактерии, находящиеся в культиваторе (х [г/л]), не росли, то они вымывались бы из сосуда и скорость вымывания была бы равна D • х =

dx

=                                  . Плотность бактериальной суспензии в сосуде снижалась бы

dt

в этом случае экспоненциально: х = х₀-е~    .

Бактерии в культиваторе тоже  растут  экспоненциально.  Скорость

dx прироста определяется выражением ц_х = --, т.е. экспоненциально уве-

dt

личивается и плотность бактериальной суспензии:

Следовательно, скорость изменения плотности суспензии в сосуде dx/dt равна алгебраической сумме величин цх и   - Dx:

dx

-- = их - Dx At

Если скорость роста и и скорость разбавления D равны, то потеря в результате вымывания клеток и прирост биомассы уравновешивают друг друга, т. е. изменение равно нулю и плотность бактериальной сус­пензии х остается постоянной. Культура оказывается при этом в сос­тоянии динамического равновесия. Экспоненциальное размножение кле­ток компенсируется другим экспоненциальным процессом, ведущим к уменьшению их числа.

Рост культуры в хемостате контролируется концентрацией субстра­тов. На таком ограничении скорости роста концентрацией одного из не­обходимых субстратов (донора электронов, источника азота, серы или фосфора) основана стабильность системы. Если вследствие этого огра­ничения истинная скорость роста ц оказывается меньше ц_макс (макси­мальной скорости, достижимой при насыщении субстратом), то ско­рость разбавления D можно менять в широких пределах без того, чтобы это привело к снижению плотности суспензии. Однако скорость разбавления не должна превышать ц_Макс-

Зависимость константы роста ц от концентрации субстрата с$ описывается кривой насыщения (рис. 6.10). Вообще говоря, бактерии способны расти с максимальной скоростью уже при очень незначи­тельных концентрациях субстрата (например, 10 мг глюкозы на 1 л). Только при еще меньших количествах субстрата величина а зависит от его концентрации. Ту концентрацию субстрата, при которой скорость роста а достигает половины максимального значения (ц = ц_Макс/2), обо­значают K_s. Величина K_s наряду с величинами У и Цмакс-это один из важнейших параметров, характеризующих рост бактерий в хемостатах.

На рис. 6.11 показано влияние скорости разбавления D на четыре показателя-плотность бактериальной суспензии, концентрацию суб­страта, время удвоения и урожай клеток. При изменении скорости раз­бавления D от нуля почти до точки вымывания D_c плотность бакте­риальной суспензии меняется незначительно. В этой области бактерии

реагируют на повышение D уменьшением времени удвоения. Однако с повышением скорости разбавления (когда увеличивается также ско­рость притока и уменьшается время удвоения) возрастает урожай кле­ток. Он достигает максимума при D_m, а при дальнейшем увеличении D резко снижается.

Концентрация субстрата в культиваторе, а следовательно, и в выте­кающей из него суспензии при низких скоростях разбавления в доволь­но широкой области близка к нулю. Лишь тогда, когда скорость разбавления приближается к величине, обеспечивающей максимальный рост, заметная часть субстрата начинает вымываться вместе с клетка­ми; в конце концов концентрация субстрата на выходе становится рав­ной его концентрации в поступающем питательном растворе.

Стабильность динамического равновесия культуры в хемостате обус­ловлена тем, что ее рост лимитирует концентрация какого-то субстрата. Величина ц поддерживается на низком уровне. Хемостат представляет собой саморегулирующуюся систему, простую в работе; если скорость притока достаточно долго остается постоянной, то работа хемостата регулируется автоматически.

Рост в турбидостате. От описанной выше непрерывной культуры в хемостате существенно отличается непрерывная культура в турбидо­стате. Как указывает само название, работа турбидостата основана на поддержании постоянной плотности бактериальной суспензии, или по­стоянной мутности. Датчик мутности регулирует через управляющую систему поступление питательного раствора. В сосуде для культивиро­вания все питательные вещества содержатся в избытке, и скорость ро­ста бактерий приближается к максимальной. Работа с турбидостатами технически сложнее, чем с хемостатами.

Принципиальные различия. Между классической периодической куль­турой и непрерывной культурой в хемостате имеются принципиальные различия, которые в заключение следует еще раз подчеркнуть.

Периодическую культуру можно рассматривать как замкнутую си­стему (в какой-то мере подобную многоклеточному организму), которая в своем развитии проходит четыре фазы-начальную, экспоненциаль­ную, стационарную и фазу отмирания (юность, расцвет, старение и смерть). Условия существования культуры во всех этих фазах раз­личны. Автоматическое регулирование в периодической культуре вряд ли возможно.

Непрерывная культура представляет собой открытую систему, стре­мящуюся к установлению динамического равновесия. Фактор времени в ней в известной мере исключается. Для организмов создаются неиз­менные условия среды. Установка легко поддается автоматическому регулированию.