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

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 Ngu Năng Các Khối Khối
phần ồn suất nhân lượn lượn
môi
sinh tố dự g các g các
trường
trưởn thừa nguy thàn
g
với ên tố h
nguồ
(g/l)
phần
(g
cấu
sinh n
carb

tạo
khối
on
(g/l)
khô/


g
nguy
ên
tố)
1

tươn
g
ứng

Glucos C,
e
năng
lượn
g
NH4Cl N 8

1

10

3

NaH2 P P
O4
KCl
K
NaH2S Na
O4
MgCl2 Mg
CaCl2 Ca

5

3.75 14.3
3
1.52 5.88

33

25.0

100 5
100 5

0.5
0.5

0.95
1.87

200 5
100 10

0.25 0.98
1.0 2.77


FeCl2 Fe 200 10
MnCl2 Mn 104 20
ZnCl2 Zn

104

20

CuCl2 Cu

105

20

CoCl2 Co

105

20

0.5 1.13
0.02 0.04
6
0.02 0.04
2

0.002 0.00
42
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 (fedbatch) 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-


NO3NO2_ NO3
Chất nhận
điện tử
O2
NO3- - N2
NO2- - N2
N2O- - N2

2.6/mol
YX/NO2 = 0.91.8g/mol

YX/O2 = 10a42bg/mol
YX/NO3
c
27g/mol

=
YX/NO2
c
17g/mol
=
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