Nutrisi Mikroba
Biosintesis komponen seluler yang diperlukan untuk pertumbuhan, reproduksi dan pemeliharaan membutuhkan dukungan yang ply nutrisi dasar dan sumber energi. Gizi klasifikasi didirikan atas dasar tertentu sumber energi, elektron / hidrogen dan karbon digunakan oleh organisme (Tabel 2.1). Mikroorganisme telah berevolusi berbagai mekanisme untuk mendapatkan energi, tetapi pada dasarnya dibagi menjadi dua kategori. Chemotrophs memperoleh energi oleh oksidasi organikatau senyawa anorganik, sedangkan phototrophs menggunakan en-Ergy berasal dari cahaya. Keduanya memiliki dua sumber atom hidrogen atau elektron. Organotrophs mengoksidasi molekul organik preformed, seperti gula, untuk mendapatkan elektron atau hidrogen, sedangkan lithotrophs memperoleh elektron dari molekul anorganik dikurangi, termasuk hidrogen sulfida dan amonia. Gizi Karbon dibagi menjadi dua kelas. Autotrophs memanfaatkan CO2 sebagai sumber tunggal atau utama mereka karbon, sedangkan berbagai heterotrof menggunakan berbagai berkurang organikmolekul, termasuk hidrokarbon, lipid, organik asam, gula sederhana dan polisakarida. Sel mikroba harus mendapatkan berbagai unsur kimia KASIH untuk memenuhi kebutuhan gizi mereka. Empat dari ini, karbon macronutrients, hidrogen, oksigen dan nitrogen, harus tersedia dalam jumlah gram per liter medium pertumbuhan. Unsur-unsur ini, bersama dengan fosfor dan sulfur, adalah komponen utama polimer utama seluler: lipid, asam nukleat, poli sakarida dan protein (Tabel 2.2). Kecil lainnya elemen, termasuk kalsium, zat besi, kalium dan magnesium, yang diperlukan pada tingkat beberapa miligram per liter; elemen jejak, terutama kobalt, tembaga, mangan,molibdenum, nikel, selenium dan seng, yang dibutuhkan hanya jumlah mikrogram.
Macronutrients
Fermentasi autotrophic yang memanfaatkan CO2 jarang dioperasikan pada skala industri: hampir semuanya melibatkan het- pertumbuhan erotrophic. Dalam fermentasi heterotrofik, sumber karbon yang diperlukan pada media yang relatif tinggi konsentrasi, sering sekitar 10-20g / L atau lebih, seperti mereka menyediakan karbon 'kerangka' untuk biosintesis dan banyak juga berfungsi sebagai sumber energi. Umumnya, gula adalah karbon dan sumber energi yang baik, terutama glu-cose, substrat yang disukai sebagian besar mikroorganisme. Hidrogen dan oksigen dapat diperoleh dari air dan senyawa organik. Namun, banyak organisme juga tergantung pada molekul oksigen sebagai terminal akseptor dalam respirasi aerobik dan untuk sintesis senyawa tertentu, seperti sterol tak jenuh (lihat p. 34, Pengaruh oksigen pada pertumbuhan). Mikroorganisme mungkin berisi lebih dari 15% (b / b) nitrogen, sebagian besar dalam struktural dan fungsional protein, dan asam nukleat. Untuk memenuhi persyaratan ini sumber nitrogen biasanya disediakan dalam media pertumbuhan pada konsentrasi 1-2g / L. Garam ammonium sering sumber disukai nitrogen, tetapi nitrat, asam amino atau senyawa kaya nitrogen, seperti urea, mungkin kadang-kadang digunakan. Selain itu, beberapa khusus bakteri pengikat nitrogen, terutama Azotobacter danRhizobium spesies, dapat memanfaatkan nitrogen molekuler.
Elemen kecil
Fosfor umumnya diberikan sebagai phos- anorganik
ion Phate, sering sebagai penyangga pH. Elemen ini penting
untuk sintesis asam nukleat, zat antara mobil-
metabolisme bohydrate dan senyawa yang terlibat dalam en-
Ergy transduksi, misalnya adenosin trifosfat (ATP)
dan adenin dinukleotida nicotinamide fosfat
(NADP). Konsentrasi Media biasanya harus ada
lebih besar dari 100mg / L.
Sulphur diperlukan untuk produksi sulphur- yang
mengandung asam amino sistin, sistein dan methion-
ine, dan beberapa vitamin. Hal ini sering diberikan sebagai
sulfat anorganik atau garam sulfida pada konsentrasi
20-30mg / L.
2
Pertumbuhan dan nutrisi Mikroba
21
Elemen kecil lainnya, sebagian besar kalsium, zat besi, potas-
potasium dan magnesium, harus disediakan dalam relatif
kecil tapi signifikan jumlah, biasanya kurang dari 10-
20mg / L. Beberapa elemen kecil sangat penting untuk spesifik
aktivitas enzim. Misalnya, besi sangat penting untuk
beberapa enzim oksidasi-reduksi, khususnya cy-
tochromes, dan kalium yang dibutuhkan oleh enzim in
laki terlibat dalam sintesis protein dan sebagai kontra-ion untuk
Backbone fosfat DNA. Beberapa elemen kecil juga
memiliki peran struktural: ion magnesium yang terlibat dalam
stabilisasi ribosom, dan beberapa yang diperlukan untuk
mempertahankan dinding sel dan integritas membran. Sodium
dan kalium digunakan dalam pompa energi kemiosmotik,
tapi yang pertama tidak muncul untuk memiliki spesifik lainnya
peran, kecuali garam 'mencintai' mikroorganisme halofilik.
Elemen
Elemen termasuk kobalt, tembaga, mangan,
molibdenum, nikel, selenium dan seng. Unsur-unsur ini
biasanya diperlukan pada konsentrasi 0.1-1mg / L, atau
kurang, untuk sejumlah enzim tertentu. Normal
konsentrasi dalam persediaan air, atau sebagai kontaminan dalam
bahan media lainnya, sering memenuhi persyaratan ini.
Keseluruhan tuntutan nutrisi bervariasi untuk microor- berbeda
ganisms. Banyak bakteri dapat tumbuh pada media hanya con-
yang memuat karbon dan sumber energi, dan mineral dasar
elemen. Mikroorganisme yang mampu tumbuh pada ini
medium minimal yang disebut sebagai prototrof . Akan tetapi
pernah, mikroorganisme lainnya harus diberikan com khusus
pound di bagian atau bentuk sepenuhnya dibangun. Mereka yang
tidak dapat tumbuh tanpa tambahan organik
zat, seperti asam amino atau vitamin, disebut
auxotrophs . Media kultur selama bertahun organotrophic
mikroorganisme sering membutuhkan vitamin tertentu dan
suplemen faktor pertumbuhan, terutama vitamin B (thi-
amin, B
1
; riboflavin, B
2
; pyridoxine, B
6
; cobalamin, B
12
;
biotin; asam nikotinat; dan asam pantotenat). Beberapa mi-
croorganisms memerlukan vitamin larut lemak (A, D, E dan
K); dan vitamin C, walaupun sering meningkatkan pertumbuhan, adalah
bukan faktor pertumbuhan mikroba yang benar.
Serapan hara
Nutrisi dari lingkungan harus diangkut
melintasi membran sel ke dalam sel. Hal ini sering
tingkat-langkah membatasi dalam konversi bahan baku untuk
produk dan oleh karena itu adalah sangat penting untuk indus-
22
Bab 2
Tabel 2.1 kategori Gizi mikroorganisme
Sumber
Jenis Fisiologis
Energi
Elektron
Karbon
Chemotroph
Kimia
Phototroph
Cahaya
Organotroph
Senyawa Organik
Lithotroph
Molekul anorganik
Autotrof
CO
2
Heterotroph
Senyawa organik
Chemoorgano (hetero) troph
Senyawa Organik
Senyawa Organik
Senyawa Organik
(Hewan, jamur, protozoa, banyak bakteri)
Chemolitho (auto) troph
Molekul anorganik
Molekul anorganik
CO
2
(Beberapa bakteri)
Photolitho (auto) troph
Cahaya
Molekul anorganik
CO
2
(Tanaman, sebagian besar ganggang, beberapa bakteri)
Photoorgano (hetero) troph
Cahaya
Senyawa Organik
Senyawa Organik
(Ganggang, beberapa bakteri)
Table2.2 Komposisi mikroorganisme khas
Air
70-80%
Protein
15-18%
Polisakarida
1-3%
Lipid
1-2%
Asam nukleat
3-7%
Garam anorganik
1-2%
Komposisi sel unsur Main = C
4
H
7
O
2
N
Halaman 37
proses fermentasi percobaan. Serapan dari beberapa nutrisi
adalah dengan difusi pasif , yang tidak memerlukan operator.
Nutrisi tersebut biasanya larut dalam lemak dan dapat
masukkan membran hidrofobik, misalnya gliserol dan urea.
Namun, mekanisme yang tidak efisien, karena tingkat
serapan tergantung pada besarnya
konsentrasi gradien melintasi membran. Sebagian besar
zat terlarut harus diangkut melalui-mekanisme aktif spesifik
mekanisme-, karena membran yang selektif permeabel.
Juga, mikroorganisme biasanya menghuni lingkungan alam
KASIH mana konsentrasi nutrisi rendah. Quences
berkala, adalah penting bahwa mereka dapat menumpuk zat terlarut
melawan gradien konsentrasi, sebagai intraseluler
konsentrasi senyawa sering lebih tinggi dari
tingkat lingkungan.
Kebanyakan serapan zat terlarut melibatkan protein pembawa (per-
meases) yang span membran. Partisipasi mereka dalam
difusi difasilitasi tidak memerlukan masukan langsung dari energi. Ini
didorong semata-mata oleh gradien konsentrasi di seluruh
membran dan reversibel. Namun, serapan hara
ke dalam sel berlanjut, karena con intraseluler mereka
centration tidak meningkat, karena mereka segera
dimetabolisme pada entri. Mekanisme ini, jarang terlihat di
prokariota, digunakan untuk mengangkut gula dan amino
asam, dan selektif mereka operator biasanya berfungsi untuk
Kelompok zat terlarut terkait. Mereka sangat meningkatkan difusi
tarif, setidaknya sampai konsentrasi di mana pembawa
protein menjadi jenuh dengan gizi nya.
Transpor aktif mekanisme memungkinkan accumula- yang
tion bahan terhadap gradien konsentrasi,
yang penting dalam lingkungan di mana nutrisi
tingkat rendah. Beberapa sistem memungkinkan akumulasi untuk
100-1000 kali lebih besar dari konsentrasi eksternal
tion. Namun, mekanisme ini membutuhkan langsung
masukan dari sejumlah besar energi metabolik, ATP
atau gradien proton, untuk mendorong transportasi. Seperti dalam FA
difusi cilitated, pembawa protein yang terlibat; banyak
sangat spesifik, sedangkan yang lain berfungsi dengan kelompok-kelompok
dari senyawa terkait. Dimana gradien proton yang
terlibat (lihat Bab 3, transportasi elektron), yang nutri-
ent memasuki sel, seperti gula, asam amino atau atau-
molekul asam bawang putih, secara bersamaan diangkut dengan
proton, dan disebut sebagai symport .Proton gradien
juga dapat digunakan untuk membangun gradien ion natrium
melintasi membran. Berikut ion natrium meninggalkan sel
dalam pertukaran untuk masuknya proton, yang disebut
antiport . Penyerapan drive natrium gradien didirikan
nutrisi, misalnya gula dan asam amino.
Beberapa senyawa dapat dimodifikasi selama serapan.
Gula, misalnya, dapat terfosforilasi menggunakan
fosfoenolpiruvat (PEP) sebagai donor fosfat.
Hal ini disebut sebagai kelompok translokasi , yang
dilakukan oleh banyak sel prokariotik.
Selama periode ketika konsentrasi hara yang sangat
rendah, seperti selama fase stasioner budaya bets
(Lihat di bawah, Mikroba pertumbuhan kinetika), beberapa organisme
menghasilkan metabolit yang mampu scavaging untuk sisa
ion logam. Sideramines, yang meliputi hydroxam- yang
makan ferrichrome, adalah contoh terkenal. Alternatif-
berurut, beberapa mikroorganisme dapat menghasilkan senyawa
Peran yang in vivo adalah untuk membuat membran lebih
permeabel terhadap ion logam tertentu, misalnya macrotetralides
(Antibiotik ionofor, lihat Bab 3, Sekunder
metabolisme).
Pemanfaatan bahan berat molekul tinggi
Pemanfaatan substrat polimer (polisakarida,
protein dan lipid) membutuhkan kegiatan tambahan. Proto
zoa dan organisme eukariotik lain tanpa dinding sel
dapat menelan potongan yang relatif besar bahan makanan dari
lingkungan mereka dengan fagositosis (terperosok) ke
apa menjadi makanan vakuola membran-terikat. Hy-
enzim drolytic kemudian disekresikan ke vakuola
untuk memecah polimer untuk konstituen mereka
monomer. Untuk organisme dengan dinding sel yang kaku ini
biasanya tidak mungkin. Mereka harus mengeluarkan ekstraseluler
hidrolitik enzim protease, amilase, selulase,
dll-langsung ke lingkungan dan kemudian mengambil
produk hidrolisis yang dihasilkan. Banyak ekstraseluler ini
enzim lar memiliki aplikasi industri utama (lihat
Bab 9).
Kinetika pertumbuhan mikroba
Pertumbuhan mikroba dapat didefinisikan sebagai tertib
peningkatan komponen seluler, sehingga sel
pembesaran dan akhirnya mengarah pada pembelahan sel. Ini
Definisi ini tidak sepenuhnya akurat karena menyiratkan bahwa
konsekuensi dari pertumbuhan selalu terjadi peningkatan sel
angka. Namun, dalam kondisi tertentu pertumbuhan
dapat terjadi tanpa pembelahan sel, misalnya, ketika sel-sel
adalah sintesa senyawa penyimpanan, misalnya glikogen atau
poli b-hidroksibutirat. Dalam situasi ini num- sel
gota tetap konstan, tetapi konsentrasi biomassa
terus meningkat. Hal ini juga berlaku untuk coenocytic
organisme, seperti beberapa jamur, yang tidak dibagi menjadi
sel yang terpisah. Hasil pertumbuhan mereka hanya meningkat
ukuran.
Kinetika pertumbuhan homogen suspen- uniseluler
Pertumbuhan dan nutrisi Mikroba
23
Halaman 38
budaya sion dapat dimodelkan dengan menggunakan diferensial equa-
tions dalam model kontinum. Namun, berserabut
pertumbuhan dan pertumbuhan heterogen agregat sel
dan kumpulan, khususnya biofilm, koloni, gumpalan,
tikar dan pellicles, jauh lebih kompleks. Bahkan, het-
sistem erogeneous memerlukan pendekatan yang sangat berbeda
menggunakan otomat seluler dan model sistem Swarm,
misalnya BacSim. Kinetika pertumbuhan organ-berserabut
isme dan sistem heterogen tidak akan dibahas
di sini.
Model pertumbuhan yang akan diperiksa adalah bakteri
pembelahan biner dalam kultur suspensi homogen,
di mana pembelahan sel menghasilkan sel anak yang identik.
Setiap kali sel membelah disebut generasi dan
waktu yang dibutuhkan untuk sel untuk membagi disebut sebagai gender
waktu timbangkan . Oleh karena itu, waktu generasi atau dua kali lipat
waktu ( t
d
) Adalah waktu yang diperlukan untuk populasi mikroba
dua kali lipat. Secara teoritis, setelah satu generasi, baik
populasi sel mikroba dan konsentrasi biomassa
telah dua kali lipat. Namun, seperti yang dinyatakan sebelumnya, di bawah
kondisi tertentu pertumbuhan dapat dikaitkan dengan
peningkatan biomassa, bukan sel nomor. Juga, gender yang
waktu timbangkan direkam selama pertumbuhan mikroba dalam ulang
ality nilai rata-rata, karena sel-sel tidak akan membagi pada
persis tingkat yang sama. Pada satu waktu ada sel-sel di
berbagai tahap siklus sel mereka. Hal ini disebut asyn-
pertumbuhan chronous. Namun, dalam kondisi tertentu
pertumbuhan sinkron dapat diinduksi sehingga semua sel
membagi secara bersamaan, yang merupakan alat penelitian yang berguna
dalam studi fisiologi mikroba.
Fermentasi mikroba dalam media cair dapat mobil-
Ried dalam kondisi operasi yang berbeda, yaitu bets
pertumbuhan, pertumbuhan makan-batch atau pertumbuhan yang berkelanjutan. Batch
Pertumbuhan melibatkan sistem tertutup di mana semua nutrisi
hadir pada awal fermentasi dalam
volume tetap. Satu-satunya penambahan lebih lanjut mungkin asam
atau dasar untuk kontrol pH, atau gas (misalnya aerasi, jika ulang
quired). Dalam sistem makan-batch media segar atau menengah
komponen diberi makan terus menerus, sebentar-sebentar atau
ditambahkan sebagai suplemen tunggal dan volume
bets meningkat dengan waktu. Fermentasi berkelanjutan
adalah sistem terbuka di mana media segar secara terus menerus
dimasukkan ke dalam bejana fermentasi, namun tetap Volume
konstan seperti menghabiskan menengah dan sel dikeluarkan di
tingkat yang sama.
Pertumbuhan Batch
Selama fermentasi batch populasi microor-
ganisms berjalan melalui beberapa fase pertumbuhan yang berbeda:
lag, akselerasi, pertumbuhan eksponensial, perlambatan, sta-
tionary dan kematian (Gambar. 2.1). Pada fase lag hampir tidak ada
pertumbuhan terjadi dan populasi mikroba tetap
relatif konstan. Namun demikian, itu adalah periode intens
aktivitas metabolik sebagai inokulum mikroba menyesuaikan dengan
lingkungan baru. Ketika sel-sel diinokulasi ke dalam
media segar mereka mungkin kekurangan enzim penting,
vitamin atau kofaktor, dll, yang harus disintesis di
Untuk memanfaatkan nutrisi yang tersedia, sebelum sel divisi
berlangsung. Komposisi kimia fermen- yang
24
Bab 2
Waktu (h)
Jumlah sel Log (sel / mL)
atau Log biomassa (g / L)
Exponential
Percepatan
Lag
Stationary
Fase Kematian
Mikroorganisme dapat
bersporulasi menghasilkan spora
untuk bertahan hidup selama
fase stasioner
Idiophase *
(Metabolisme sekunder)
Hanya diamati pada beberapa
mikroorganisme
Trophophase *
(Metabolisme primer)
Perlambatan
Gambar. 2.1 Pertumbuhan mikroorganisme dalam
budaya batch. * Trophophase dan
idiophase: lihat Bab 3, Sekunder
metabolisme.
Media tasi mempengaruhi panjang fase lag. Hal ini
biasanya lebih lama jika inokulum ditanam dengan menggunakan mobil-
bon sumber yang berbeda dari yang di media segar,
karena sel-sel harus mensintesis enzim yang diperlukan untuk
catabolize substrat baru. Fisiologis stres mungkin
juga berpengaruh, terutama karena sel sering trans
ferred dari media inokulum tekanan osmotik rendah
yakin (konsentrasi zat terlarut rendah) ke media segar
tekanan osmotik yang lebih tinggi (konsentrasi zat terlarut tinggi).
Faktor-faktor lain yang mempengaruhi panjang dari fase lag adalah
usia, konsentrasi, viabilitas dan morfologi
inokulum. Umumnya, inokulum dibuat dari sel-sel panen
dipegang oleh fase pertumbuhan eksponensial (periode paling
pertumbuhan yang cepat) menunjukkan fase lag lebih pendek daripada panen
vested dari tahap berikutnya.
