Dinh dưỡng của vi sinh vật phần a thiết kế môi trường và kiểm tra các chất dinh dưỡng

Điển hình, môi trường sinh trưởng cho các vi sinh vật dị dưỡng được thiết kế với nguồn năng lượng - carbon riêng biệt sẽ giới hạn lượng sinh khối được tạo ra, nhưng ngược lại tất cả các

A Thiết kế môi trường và

kiểm tra các chất dinh dưỡng giới hạn

1 Thiết kế môi trường sinh

trưởng

Trong thiết kế môi trường sinh trưởng, quyết định đầu tiên được

đưa ra là chọn lựa nồng độ cao nhất

cho phép tạo ra sinh khối (Xmax), và xác định các chất dinh dưỡng giới hạn (theo nguyên lý Liebig) Điển hình, môi trường sinh trưởng cho các vi sinh vật dị dưỡng được thiết

kế với nguồn năng lượng - carbon riêng biệt sẽ giới hạn lượng sinh

khối được tạo ra, nhưng ngược lại tất cả các chất dinh dưỡng khác

(được thêm vào dưới dạng các hợp chất đơn) được cung cấp dư thừa Dựa vào giá trị X max, có thể tính

toán được nồng độ tối thiểu của các nguyên tố khác nhau cần thiết trong môi trường nuôi cấy Để đảm bảo

sự dư thừa của tất cả chất dinh

dưỡng không giới hạn trong môi

trường thì nồng độ của chúng được

nhân với nhân tố dư (FE) Bằng

cách này, nồng độ của chất dinh

dưỡng đòi hỏi trong môi trường

tăng trưởng (Ereq) gấp x lần theo lý thuyết đối với nguồn carbon

Ereq = X max / YX/E

x FE (3)

YX/E (the individual average

elemental growth yield) là sản

lượng tăng trưởng trung bình dựa trên từng nguyên tố

Một ví dụ cho việc thiết kế môi trường khi giới hạn nguồn carbon, cho phép tạo sản lượng sinh khối khô đạt 10g/l sinh (bảng 13.13)

Cần chú ý rằng, trong môi trường này các thành phần được lựa chọn

sao cho có thể thay đổi nồng độ của mỗi nguyên tố (ví dụ có thể thay

thể MgCl2 và NaHSO4 bằng

MgSO4) Hơn nữa, môi trường này chỉ có tính chất đệm yếu (weakly buffered), do đó cần thiết phải

khống chế pH trong suốt quá trình sinh trưởng

Cách thức này được sử dụng

cho việc thiết kế môi trường nuôi cấy các vi sinh vật hiếu khí với mật

độ sinh khối thấp và trung bình

Phức tạp hơn là thiết kế của môi

trường cho nuôi cấy vi sinh vật kỵ khí, trong đó rất nhiều thành phần của môi trường dễ dàng kết tủa tại thế oxy hóa khử cần thiết, hoặc mật

độ tế bào cao trong đó có chứa các

chất hòa tan hoặc vấn đề độc tính của một số môi trường

Bảng 13.13: Thiết kế môi trường

tối thiểu bị giới hạn bời nguồn C

cho phép sản lưởng sinh khối khô đạt 10g/l a,b

Thành

phần

môi

trường

Ngu

ồn

Năng suất sinh trưởn

g (g sinh khối khô/

Các nhân

tố dự thừa với nguồ

n carb

on

Khối lượn

g các nguy

ên tố (g/l)

Khối lượn

g các thàn

h phần cấu tạo (g/l)

g nguy

ên tố)

tươn

g ứng

Glucos

e

C, năng lượn

g

1 1 10 25.0

NH4Cl N 8 3 3.75 14.3

3 NaH2 P

O4

P 33 5 1.52 5.88

KCl K 100 5 0.5 0.95 NaH2S

O4

Na 100 5 0.5 1.87

MgCl2 Mg 200 5 0.25 0.98 CaCl2 Ca 100 10 1.0 2.77

FeCl2 Fe 200 10 0.5 1.13 MnCl2 Mn 104 20 0.02 0.04

6 ZnCl2 Zn 104 20 0.02 0.04

2 CuCl2 Cu 105 20 0.002 0.00

42 CoCl2 Co 105 20 0.002 0.00

44

a Dựa vào sản lượng tăng

trưởng của các nguyên tố trong sinh khối khô

b Theo Pirt (1975), Egli và

Fiechter (1981) Sản lượng tăng trưởng của C và các nguyên tố vết Zn, Cu, Mo, Mn

Nhân tố YX/E được phân tích

từ sinh khối khô khi nuôi cấy trong điều kiện không giới hạn tăng

trưởng của hệ thống đóng Đối với carbon, oxy, và hydro, YX/E không thể được tính toán chính xác trực tiếp từ các thành phần cơ bản của tế bào do những thành phần này

không chỉ tạo nên sinh khối, mà

còn có các chức năng trao đổi chất khác.Ngoài ra, trong bảng không

nói đến một số lượng lớn các chất nhận điện tử cần thiết phải được

đảm bảo cho quá trình sinh trưởng

Tính chất hóa học của các

thành phần trong môi trường sinh trưởng phải được tính đến khi chọn

FE Ví dụ, phần lớn các nguyên tố

vi lượng dễ dàng kết tủa trong môi trường sinh trưởng ở pH trung tính hoặc kiềm và do đó giảm bớt khả năng hấp thụ sinh học (khó khăn để xác định) Do đó, chúng được thêm vào nhiều gấp 10 tới 20 lần

(Bridson và Brecker, 1970)

Trong công nghệ sinh học, quá trình nuôi cấy theo mẻ (batch) và

nuôi cấy theo mẻ có bổ sung (fed-batch) được nghiên cứu từ lâu vì rất

có lợi khi thiết kế các môi trường chứa tất cả nguyên tố với lượng

chính xác lượng cần thiết, sao cho tất cả các nguyên tố phải được tiêu thụ hết tại cuối kì tăng trưởng Tuy nhiên, rất khó khăn có thể đạt được điều này do tính đa dạng của các

nguyên tố và sự phụ thuộc của

chúng vào điều kiện nuôi cấy.Tất nhiên, trong công nghệ sinh học,

việc tối ưu hóa môi trường là rất

quan trọng để tính toán sự tiêu thụ chất dinh dưỡng và để hạn chế tối

đa sự hao phí nguyên liệu, hóa chất

Bảng 13.14: Các nhân tố tăng

trưởng sản lượng của các chất cho

và nhận điện tử

Các chất cho

điện tử

H2 YX/H2 = 12g/mol

S2O3 YX/S2O3 = 4g/mol

Fe2+ YX/Fe2+

= 0.35g/mol

NH4+ - YX/NH4 =

1.3-NO3- 2.6/mol

NO2_ -

NO3

YX/NO2 = 0.9-1.8g/mol Chất nhận

điện tử

O2 YX/O2 = 10a

-42bg/mol

NO3- - N2 YX/NO3

= 27g/molc

NO2- - N2 YX/NO2

= 17g/molc

N2O- - N2 YX/N2O = 9g/molc

a Đối với các cơ chất khử là

methane hoặc n-alkanes

b Đối với các chất oxy hóa là

glucose

c Đối với Paracoccus denitrificans với nguồn carbon là glutamate

Vietsciences- Nguyễn Lân Dũng

& Bùi Thị Việt Hà