Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
43
Нг,°/о
Рис. 20. Зависимость удельной скорости роста водородных бактерий от концентрации водорода в газовой фазе.
1/ft, ч
Рис. 21. Динамика эффективности использования водорода водородными бактериями, а при лимите по 02, С02 и На— на протоке.
соответствует уровню сродства водородных дегидрогеназ к водороду. Если принять уна = 1,6, как было определено в той же работе, то
*х,а(Н2) = ц.-х/7-Н-рН2 = 533 ч-1, (14)
или
АЬа(Н2) = 1,1/^(0,).
Непосредственное измерение концентрации растворенного водорода в культуре водородных бактерий проведено японскими исследователями [Kodama е. а., 1976]. Водород выдувался из культуральной жидкости азотом, а затем определялся методом газовой хроматографии. В опыте Т. Кодамы смена экспоненциальной фазы роста линейной наступала при концентрации растворенного водорода (так же, как и кислорода), близкой к пулю, т. е. на границе чувствительного датчика. Существуют электрохимические методы измерения растворенного водорода [Гуланян, 1971; Альперин и др., 1975], но они еще не нашли широкого применения в лабораторной практике.
Таким образом, данных о критической концентрации растворенного водорода недостаточно, чтобы сделать какой-либо определенный вывод. Что касается константы урожая по водороду, то многими авторами наблюдалось значительное снижение ун2 при воздействии различных лимитов. В работе П. И. Пономарева и Ю. JI. Гуревича (1977) рассматривалась зависимость Yh2 в хемостатной культуре от удельной скорости роста при лимитах по С02, 02 и Н2.
Во всех трех случаях зависимость 1/ун2 (1/^) изображается одной и той же прямой. На наш взгляд, близость экспериментальных точек вызвана выбранной мерой измерения величины 1/у в граммах Н2 на 1 г биомассы. Для легкого водорода {d =
44
= 0,0898 г/л) это приводит к скучиванию точек. Если выразить те я:е результаты в объемных единицах (рис. 21), то, очевидно, что изобразить их одной прямой нельзя. При лимитировании углекислотой эффективность использования водорода наихудшая и снижается более резко (на 34%), чем при лимитировании
02 или Н2. У Т. Моринаги и др. [Morinaga е. а., 1978] константа урожая по водороду наиболее сильно зависела от вида лимитирования и падала от 1,8 до 1,3 г/г со снижением D от 0,2 до 0,05 ч-1 при лимите по Н2 иС02 от 2,5 до 2 г/г при лимитировании кислородом.
Факт двойного повышения ун2 при лимитировании кислородом также наблюдался [Schuster, Schlegel, 1967]. В опытах П. И. Пономарева и Ю. JI. Гуревича это явление не зафиксировано.
Что касается абсолютных величин ун2- найденных при оптимальных условиях роста, то, как и в случае кислорода, определяется большой разброс данных. Так, JI. Бонджерс [Воп-geis, 1970а, б] оценивает Yh2 — 2,92, И. Гото и др. [Goto е. а.,
1977] — 1,24, Я. В. Войтович и др. (1971) — 1,6 г биомас-сы/г Н2.
По-видимому, вопрос о закономерностях изменения ун2) как и Yo2i пРи различных условиях культивирования нельзя считать выясненным. Необходимы дальнейшие экспериментальные исследования в этом вопросе.
Отношение потребленного клетками водорода к усвоенной углекислоте, подобно отношению О/С, может служить показателем эффективности клеточных энергетических механизмов. Отношение Н2/02 также отражает эффективность использования энергии водорода, поскольку изменение этого отношения от 4 до 2 соответствует изменению сопряжения процессов окисления и фосфорилирования от полного до нулевого (холостое окисление).
Таким образом, стехиометрия поглощаемых клетками газов служит важной интегральной характеристикой процесса биосинтеза, позволяющей оценить константы урожая по энергетическим субстратам и эффективность превращения энергии в клетках.
Эффективность превращения энергии удобно выражать коэффициентом rj:
т) = <?б/<?с-Ю00/о, (15)
где Q6 — калорийность биомассы, полученной при усвоении
1 моль С02; Qc — энергия, освобождаемая при окислении по-
требленного клетками водорода.
Учитывая, что концентрация углерода и в клетках сравнительно устойчива и составляет 49%, а удельная калорийность биомассы — 5,39 ккал/г [Войтович и др., 1971]:
П = [(24,5 • 5,39)/56,8г/ ] • 100 = 232!уг (16)
45
где у — число молей Н2, потраченных на ассимиляцию 1 моля углекислоты.
По современным представлениям, в водородных бактериях функционирует дыхательная цепь, подобная митохондриальной [Заварзин, 1978]. При работе всех трех пунктов фосфорилиро-вания, т. е. при генерации 6 моль АТФ на 1 моль кислорода должна наблюдаться наивысшая эффективность использования энергии (т] ~ 60%) при соответствующей стехиометрии поглощения газов, близкой к 1:1:4.
Согласно Т. А. Федоровой (1973а), оценившей затраты АТФ и восстановителя на синтез биомассы определенного аминокислотного состава на основе современных представлений о метаболизме бактерий, наиболее часто наблюдаемые реальные стехиометрии соответствуют действию трех пунктов фосфорилп-рования с затратой АТФ на восстановление НАД. Реальность функционирования такой схемы в клетках водородных бактерий показана М. Ишаком и И. Алимом [Ishaque, Aleem, 1970]. При лимитации различными компонентами питания, возможно, снижается эффективность за счет переключения на альтернативные пути окисления, лишенные отдельных пунктов сопряжения. На существование таких путей у Alkaligenes указывает работа И. Пфицнера с бесклеточными экстрактами [Pfitzner, 1972], а также М. Битрайса и И. Чаппела [Beatrice, Chappel, 1979].
