Параметры, характеризующие рост клеток

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА КЛЕТОК

Химический состав клеток

Клетки микроорганизмов содержат 80-85 % воды. Соответственно, сухая биомасса составляет 15-20 % от сырой массы клеток. Если клетка содержит много запасного материала (липиды, полисахариды, полифосфаты, сера), доля сухой массы больше (до 30 %).

Содержание основных биополимеров в сухой массе клеток: белки – 50-60 %, РНК – 10-20 %, ДНК – 3-4 %, полисахариды – 10-20 %, липиды – 5-10 %.

Элементарный состав сухого вещества клетки: углерод – 46-50 %, кислород – 28-30 %, азот – 8-12 %, водород – 6-8 %, фосфор – 2-5 %, калий – 1-5 %, сера – 1 %, кальций – 0,5 %, магний – 0,5 %, железо – 0,2 %, прочие элементы – до 1 %.

Углерод, кислород, азот и водород называют органогенными элементами, образующими беззольную массу клеток (92-93 %). Остальные элементы (зольные элементы) входят в состав золы (7-8 %), образующейся при сжигании сухих клеток.

Наиболее простой и широко используемой в расчетах эмпирической формулой беззольной массы клеток является выражение С₅H₇NO₂.

Энергетический эквивалент сухой массы клеток, равный количеству энергии, выделяющейся при сжигании 1 г биомассы, составляет 4,5 ккал/г.

Кислородный эквивалент биомассы, т.е. количество кислорода, затрачиваемое на полное химическое окисление (сжигание) 1 г сухих клеток, равен 1,33 г О₂/г. Для беззольной массы клеток кислородный эквивалент составляет 1,42 г О₂/г, что отвечает эмпирической формуле С₅H₇NO₂.

Скорость роста – это прирост биомассы в единицу времени:

· в дифференциальной форме: ;

· в интегральной форме: ,

где - концентрация биомассы, - ее прирост; - время.

Удельная скорость роста отражает прирост каждой единицы биомассы в единицу времени:

. (2.1)

Когда рост происходит с постоянной удельной скоростью (, интегрирование уравнения (2.1) при начальных условиях , приводит к экспоненциальной зависимости:

. (2.2)

Возраст клеток – величина обратная удельной скорости роста:

. (2.3)

Время генерации – время удвоения биомассы или период времени от рождения клетки до ее деления пополам (для клеток, размножающихся путем бинарного равновеликого деления, например, бактерий и простейших). Если клетки претерпели удвоений с постоянным временем генерации , то уравнение роста имеет вид:

. (2.4)

Из сопоставления уравнений (2.2) и (2.4) вытекает соотношение между временем генерации и удельной скоростью роста:

.

Из микроорганизмов минимальное время генерации имеют бактерии, среди которых самые быстрорастущие виды способны делиться каждые 15-20 мин. ( =15-20 мин.). Типичные значения и для различных групп микроорганизмов следующие:

	, ч	, ч^-1
Бактерии	0,5-10	0,07-1,5
Дрожжи	1-20	0,03-0,7
Простейшие	20-40	0,015-0,04
Коловратки	40-100	0,007-0,015

Скорость потребления субстрата клетками, :

· в дифференциальной форме: ;

· в интегральной форме: ,

где - концентрация субстрата ( убывает в силу потребления клетками, поэтому , ).

Удельная скорость потребления субстрата, называемая также метаболическим коэффициентом или физиологической активностью, задается соотношением:

.

Аналогичные параметры характеризуют потребление кислорода аэробными клетками:

· скорость потребления кислорода, О₂: ;

· удельная скорость потребления кислорода, О₂: .

Экономический коэффициент – прирост биомассы на единицу потребленного субстрата (характеризует эффективность (КПД) метаболизма и отражает долю субстрата, использованного в конструктивном обмене):

.

Удельное потребление кислорода или энергетический коэффициент для аэробных микроорганизмов характеризует долю субстрата, окисленного в энергетическом обмене:

.

Если концентрация биомассы и органического субстрата измеряется в кислородных единицах (по ХПК), то справедливо уравнение:

, (2.5)

где - доля ХПК субстрата, перешедшая в биомассу.

ХПК (химическое потребление кислорода) – это количество кислорода, необходимое для полного химического окисления данного вещества. Показатель ХПК широко используют для измерения концентрации органических веществ в воде и для оценки эффективности работы очистных сооружений.

Концентрацию биомассы обычно измеряют в единицах а.с.в. (абсолютно сухого вещества). В этом случае, вводя кислородный эквивалент биомассы, из (2.5) получим:

, (2.6)

где =1,33 - кислородный эквивалент биомассы; - (или ); - .

Из (2.6) следует, что увеличение экономического коэффициента всегда сопровождается снижением энергетического коэффициента (), и наоборот ().

Выход продукта – количество продукта на единицу потребленного субстрата:

.

Расходные коэффициенты – потребление субстрата на единицу прироста биомассы , потребленного кислорода , образовавшегося продукта клеточного метаболизма :

; .

Дата добавления: 2014-12-27