Фаза отмирания

Согласно уравнению (73), рост клеток прекращается только тогда, когда сt достигает значения, равного 1/b. Разведение данной среды, содержащей токсин, или введение непитательного вещества, связывающего этот токсин, должно сопровождаться возобновлением клеточного роста и, следовательно, уве­личением максимальной концентрации биомассы хs в стацио­нарной фазе. Если рост сдерживается истощением питательного вещества, то разведение раствором, не содержащим питательных веществ, не влияет на x_s.

Этими зависимостями можно пользоваться в качестве критериев для предварительной оценки причин снижения скорости и прекращения клеточного роста. Более точные критерии сформулировать труднее, поскольку, рост популяции клеток в условиях истощения основного питательного вещества замедляется несколько раньше, чем это вещество полностью утилизируется, а скорость роста клеток в присутствии токсина может стать неизмеримо малой задолго до того момента, когда dx/dt станет равной нулю.

На рисунке изображена предсказываемая теорией зависи­мость максимальной концентрации биомассы от исходной концентрации данного питательного вещества. Постепенное снижение концентрации питательного вещества в конце концов приводит к линейной зависимости максимальной концентрации биомассы от начальной концентрации питательного вещества. В этом случае отсутствие фазы экспоненциального роста, оче­видно, вызвано недостатком питательного вещества. Напротив, повышение начальной концентрации питательного вещества может привести к тому, что величина x_s в конце концов пере­станет быть зависимой от а₀; возможно, это объясняется нако­плением токсичных веществ или влиянием другого лимитирую­щего клеточный рост питательного вещества.

Рисунок 22 – Взаимосвязь между начальной концентрацией

питательного вещества и минимальной концентрацией биомассы в периодической культуре. При высоких концентрациях

питательных веществ, когда они определяют максимальную концентрацию биомассы, фактором, лимитирующим

концентрацию, может стать накопление токсичных веществ

Изучая всю популяцию, мы не должны забывать о судьбе индивидуальных клеток. В общем случае популяции всегда негомогенны, и кривая роста популяции в периодическом про­цессе отражает лишь некоторый усредненный параметр чрезвы­чайно сложной системы. Во время фазы экспоненциального роста, например, некоторые клетки делятся, другие растут и созревают. Поскольку клетки разного возраста обычно имеют различные размеры и химический состав, мы можем рассматривать клетки одного возраста как некоторое «вещество». С этой точки зрения рост одного вида микроорганизмов приводит к популяции, содержащей множество различных «веществ».

Гетерогенность популяции становится особенно заметной в стационарной фазе и фазе отмирания. Так, в стационарной фазе некоторые клетки делятся, а некоторые погибают. Мертвые клетки часто подвергаются лизису (разрушению и растворению); в результате углеводы, аминокислоты и другие ком­поненты клеток попадают в среду и становятся питательными веществами для живых членов популяции. Такой каннибализм способствует сохранению массы популяции в стационарной фа­зе. В конце концов, однако, истощение питательных веществ и накопление токсинов приводит к отмиранию всей популяции.

Фазе отмирания было посвящено сравнительно небольшое число исследований, потому что промышленные микробиологические периодические процессы заканчиваются задолго до наступления этой фазы. Обычно считается, что гибель популяции подчиняется экспоненциальному закону:

(74)

где t– время, прошедшее с начала фазы отмирания.

В основу уравнения (74) положено допущение о том, что в любое время погибает одна и та же доля живых клеток.

Одно из объяснений экспоненциального уменьшения числен­ности популяции в фазе отмирания заключается в том что в культуре клеток летальный исход является случайным событием и гибель данной клетки определяется только вероятностью этого события. Недостатком такого объяснения является пренебрежение историей популяции.

Дин и Хиншелвуд предположили, что в стабильной и отмирающей популяциях не только живые клетки существуют за счет отмерших, но и конкурирующие участки метаболического механизма клетки в борьбе за дефицитные промежуточные соединения также существуют один за счет другого. Если принять это предположение, можно показать, что скорость гибели клеток должна подчиняться экспоненциальному закону.