微生物連續(xù)培養(yǎng)
2021-09-14 13:16:56
天緯化學小編
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微生物的培養(yǎng)方式主要包括分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)。什么是分批培養(yǎng)？指在一個容器內(nèi)加入一定數(shù)量的培養(yǎng)基后，接種微生物菌種進行培養(yǎng)的一種培養(yǎng)方式，特點是一次性加入培養(yǎng)基和菌種。分批培養(yǎng)中，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和廢物的產(chǎn)生，培養(yǎng)基中環(huán)境因素不斷的變化，因此微生物生長呈現(xiàn)典型的S型曲線，這個上一節(jié)已介紹過。那什么是連續(xù)培養(yǎng)？指采用有效的措施讓微生物在某特定的環(huán)境中保持旺盛生長狀態(tài)的培養(yǎng)方法。在連續(xù)培養(yǎng)容器中，以一定的速率加入無菌培養(yǎng)基，同時以相同的速率移除等量的已用培養(yǎng)基(其中也包含細胞)，一旦達到平衡，培養(yǎng)體積、細胞數(shù)量和營養(yǎng)/廢物狀態(tài)保持不變，培養(yǎng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。分批培養(yǎng)是一個封閉系統(tǒng)，而連續(xù)培養(yǎng)是開放的。最常見的連續(xù)培養(yǎng)類型是恒化器，它可以控制特定的生長速率(細胞生長的速度)和細胞密度(每毫升獲得多少細胞)。在恒化器中，兩個因素分別決定著生長速率和細胞密度: 1)稀釋率(D)，表示為F/V，其中F為流量(泵入新鮮培養(yǎng)基和除去廢培養(yǎng)基的速率)，V為培養(yǎng)基體積；(2)無菌培養(yǎng)基中的限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，如碳源或氮源。當一個充滿無菌培養(yǎng)基的恒化器被接種時，細胞開始生長，數(shù)量增加的速度比它們流出的速度更快。隨著細胞數(shù)量的增加，培養(yǎng)基中限制性營養(yǎng)素減少，從而降低生長速率。一旦限制性營養(yǎng)素降低到剛好足以支持特定生長速率的值，以補償細胞通過流出而損失的細胞，恒化器就會達到穩(wěn)定狀態(tài)，即細胞密度和底物濃度不會隨時間變化。恒化器的穩(wěn)態(tài)是細胞不斷生長和被移除的動態(tài)平衡。在恒化培養(yǎng)過程中，微生物的生長速率始終低于其最高生長速率。稀釋率對恒化培養(yǎng)效果如下圖所示，在非常低和非常高的D時，生長細胞的穩(wěn)定狀態(tài)會被破壞。通過改變D或生長限制營養(yǎng)素的濃度，可以建立稀釋、中等或稠密的細胞群，以特定的生長速率生長。
恒化器的細胞群可以維持在指數(shù)增長階段很長時間——幾周甚至幾個月。指數(shù)細胞通常是最理想的生理學實驗，這樣的細胞在恒化器中隨時可用。恒化器培養(yǎng)已經(jīng)被用來研究(亞)最大生長速率下細胞的生長和生理，并且已發(fā)現(xiàn)：細胞的核糖體含量與其特定生長速率成比例增加；營養(yǎng)濃度控制特定生長速率和細胞產(chǎn)量。恒化器也被用于微生物生態(tài)學和進化的研究。恒化器可以模擬自然界中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的低底物濃度，因此可以在已知成分的混合培養(yǎng)物中，通過監(jiān)測D或限制性養(yǎng)分變化函數(shù)的微生物群落多樣性，確定哪一種生物具有較強的競爭性。恒化器還被用于直接富集和從自然界中分離細菌。從自然樣本中，人們可以在特定的營養(yǎng)濃度和D條件下富集一個穩(wěn)定菌群，然后緩慢增加D，直到只留下一個微生物。通過這種方式，微生物學家研究了各種土壤細菌的生長速率，并分離出一個代時為6分鐘的細菌—已知生長最快的細菌!除了恒化培養(yǎng)，還有一種連續(xù)培養(yǎng)的方式：恒濁培養(yǎng)。這是一種根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長密度，借用光電系統(tǒng)來控制培養(yǎng)液流速，以取得菌體密度高、生長速率恒定的微生物細胞連續(xù)培養(yǎng)模式。在此系統(tǒng)中，微生物可以始終以最高的生長速率進行生長，因此在大量獲取菌體以及代謝物時，就比較有用啦。
參考資料：
Brock Biology of Microorganisms, 15th Edition
5.4 Continuous Culture
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