منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، اکسیداسیون، فیزیولوژی

دانلود پایان نامه ارشد

به گرم سوبسترا) از فروکتوز حاصل گردید، درحالیکه، استات مطلوبترین سوبسترا برای دستیابی به بیشترین بازده تولید هیدروژن (86/0 میلی مول H2 به میلی مول CO) بود. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که مالات برای رشد سلول، و نه برای تولید H2، سوبسترای مناسبی بود. در این تحقیق، استات به عنوان منبع کربنی مطلوب برای تولید هیدروژن پیشنهاد گردید چرا که استات می توانست به استیل کوآنزیم A تبدیل شده و وارد چرخه اسیدهای کربوکسیلیک155، که مسیر متابولیکی تولید H2 در باکتریهای غیر-سولفوری ارغوانی است، شود [97]. در تحقیق دیگری برای تعیین تاثر اجزای محیط کشت روی تولید اتانول و استات، گدی و همکارانش [78] از محیط کشتی حاوی عصاره مخمر، نمکهای معدنی و ویتامینها بدون هرگونه منبع کربنی مانند CO یا گاز سنتز برای کشت باکتری لانگالی استفاده کردند. در این آزمایش، با وجود آنکه هیچ الکلی در محیط تولید نشد، اما مقدار قابل ملاحظه ای اسیدهای آلی تولید گردید که احتمالا به دلیل استفاده از عصاره مخمر به عنوان منبع کربنی در این شرایط توسط باکتریها بوده است.
2-5-3 تاثیر pH محیط کشت
یکی از عوامل موثر در تنظیم متابولیزم سوبسترا و تغییر پارامترهای فیزیولوژیکی از جمله pH داخلی، پتانسیل غشایی و نیروی محرک پرتون، pH محیط کشت است. بنابراین، pH محیط روی آزاد سازی محصولات متابولیکی، گزینش پذیری محصول و ترکیب آن نقش موثری دارد [98]. برای هر ارگانیزمی محدوده pH ای وجود دارد که سلولها درآن ناحیه از نظر متابولیکی فعال هستند. هرگونه تغییری در این pH می تواند منجر به آسیب سلولها و حتی مرگ آنها شود که متعاقبا موجب کاهش فعالیت بیولوژیکی آنها می گردد. کاهش pH محیط کشت که با کم شدن جریان کربن و الکترون از سوبسترا به سمت توده سلولی همراه است موجب تضعیف رشد سلولها شده و روی بازده کلی تولید محصول در فرایند تاثیر می گذارد. هرچند، در مورد باکتریهای استوژنیک، این مساله یک حسن محسوب می گردد چرا که موجب جابجایی طیف محصول از فاز استوژنیک به فازسالونتوژنیک می شود که برای تولید محصولات کاهش یافته ای نظیر اتانول مطلوب است [14]. در چنین مواردی، اسید استیک تولید شده که یک اسید آلی ضعیف است از میان غشاء سلولی به درون سلول نفوذ می کند. در هنگام نفوذ از دیواره سلولی، اسید استیک یونهای H+ را هدایت می کند و موجب کاهش pH درون سلولی می شود. هنگامی که pH درون سلولی کاهش یافت، pH بیرونی نقش مهمی را در خنثی کردن این شرایط با تولید حلال ایفا می کند [83].
در تلاشی برای تولید بوتیرات از CO خالص توسط باکتری بوتیریباکتریوم متیلوتروفیکوم156، وردن و همکارانش157 [81] تاثیر pH محیط کشت را به عنوان عاملی موثر برای تحریک تولید بوتیرات مورد آزمایش قرار دادند. آزمایشهای ناپیوسته که با عبور پیوسته جریانی از CO همراه بود در8/6=pH آغاز گردید که در این حالت استات در محیط تولید شد اما هیچ تولید بوتیراتی مشاهده نگردید. بنابراین، در شروع فاز سکون با غلظت سلولی 3/0 گرم بر لیتر، pH از 8/6 به 6 کاهش داده شد. در نتیجه، افزایش قابل توجهی در تولید بوتیرات به جای استات حاصل گردید. در این فرایند، مقدار 6 گرم بر لیتر بوتیرات تولید شد. با وجود آنکه مکانیزمی که از طریق آن pH محیط روی تولید محصول تاثیر می گذاشت برای آنها مشخص نبود، آنها بر این عقیده بودند که این مساله به برخی تغییرات آنزیمی در تبدیل کاهشی استیل کوآنزیم A به بوتیرات مربوط می شد. بدین ترتیب که pH محیط کشت روی عملکرد آنزیمهای درگیر دراین فرایند به صورت مستقیم از طریق بازدارندگی pH و یا غیر مستقیم توسط واسطه ای که تحت تاثیر pH است، احتمالا بی کربنات، تاثیر می گذارد. برای امتحان درستی این فرضیه، آزمایشهای ناپیوسته مشابهی با جریان گازی حاوی 80% CO و 20% CO2 در 8/6 pH= انجام شد. از CO2 برای افزایش غلظت بی کربنات در فاز مایع استفاده گردید، اما نسبت استات به بوتیرات با افزایش CO2 تغییر چندانی نیافت. بنابراین، آنها به این نتیجه رسیدند که احتمالا بی کربنات تنظیم کننده متابولیکی اولیه نبوده است. در مقابل، نتایج با فرض اثرگذاری pH به صورت مستقیم همخوانی بیشتری داشتند. برای میزان معادلی از COکه در فرایند تخمیر مصرف می شود، اسید استیک تولید شده محیط را بیش از اسید بوتیریک اسیدی می سازد چرا که 5/2 برابر بیشتر از اسید بوتیریک گروه کربوکسیل تولید می کند. پس در pH های پائین محیط کشت، تولید اسید بوتیریک به استات ارجحیت دارد تا از کاهش بیشتر pH محیط جلوگیری کند.
گدی و همکارانش [78] نشان دادند که باکتری لانگالی در شرایط بهینه رشد (7-5=pH)، به جای اتانول، استات تولید می کند، در حالیکه اتانول به جای استات در شرایط عدم رشد در 5/4-4=pH و بدون حضور عصاره مخمر تولید می گردد. با دانستن این موضوع، آنها از دو بیوراکتور همزن دار پیوسته به صورت سری استفاده کردند تا میزان تولید اتانول را افزایش دهند. در بیوراکتور اول pH روی 5 تنظیم شد تا موجب افزایش رشد سلول شود و در بیوراکتور دوم pH به حدود 5/4-4 کاهش داده شد و عصاره مخمر از محیط کشت حذف گردید تا رشد سلولی متوقف شده و تولید اتانول آغاز گردد. در نتیجه این تغییرات، با جریان گازی حاوی 25/55% CO، 61/10% CO2، 11/18% H2 و 78/15% Ar، میزان اتانول تولیدی در بیوراکتور اول و دوم به ترتیب به 1 و 3 گرم در لیتر رسید و نسبت مولی اتانول به استات از 1 در بیوراکتور اول به 4 در بیوراکتور دوم بهبود یافت. این نتایج نشان می دهد که تغییر pH بین دو بیوراکتور و کمبود عصاره مخمر قدم مهمی در افزایش تولید اتانول به جای استات بوده است.
سکائی و همکارانش158 [44] باکتری گرمادوستی از گونه مورلا159 را از یک نمونه گِل که از چشمه آب گرم زیرزمینی جمع آوری شده بود جداسازی کردند که می توانست از H2 و CO2 در دمای 55 درجه سانتیگراد اتانول تولید کند. فاز گازی حاوی 80% H2 و 20% CO2 به داخل سرم باتل فرستاده شد و فشار داخل باتل به 19/0 مگاپاسکال رسانده شد. پس از گذشت زمان 156 ساعت، 5/1 میلی مول اتانول و 57 میلی مول استات تولید گردید. تجمع استات در محیط کشت موجب کاهش شدیدی در pH محیط کشت گردید که بازدارندگی برای رشد سلول و تولید محصول ایجاد نمود. بنابراین، آزمایشهای جدیدی در فرمانتور که به منبع گاز متصل بود انجام شد که در آن pH محیط کشت قابل کنترل بود. کنترل pH محیط کشت در 2/6 منجر به تولید 347 میلی مول استات در زمان 220 ساعت گردید، اما تولید اتانول افزایش نیافت. از آنجا که 5= pHبرای تولید اتانول مناسب بود، آزمایشها در pH رشد یعنی 3/6 آغاز گردید اما پس از کاهش اولیه، pH روی 5 کنترل شد. در این محیط کشت ناپیوسته همراه با کنترل pH، حداکثر میزان اتانول تولیدی به 8/4 میلی مول رسید. رشد سلول و تولید اتانول و استات در محیط کشت به ترتیب 3/1، 7/3 و 4/2 بالاتر از شرایطی بود که pH محیط کشت کنترل نشد.

2-5-4 تاثیر عامل کاهنده160
آن دسته از باکتریها که نمی توانند در محیطی با پتانسیل کاهشی161 بالا رشد کنند به عنوان باکتریهای لزوما بی هوازی162 تعریف می شوند. پتانسیل کاهشی یا پتانسیل اکسیداسیون/احیاء نمایانگر تمایل یک سوبسترا یا محلول برای به دست آوردن الکترون و در نتیجه کاهیده شدن است. در محیط کشت، پتانسیل کاهشی با وجود اکسیژن افزایش می یابد که بازدارنده رشد باکتریهای لزوما بی هوازی است. بنابراین، تقلیل پتانسیل کاهشی محیط رشد برای کشت باکتریهای بی هوازی ضروری است. برای این منظور، عامل کاهنده به عنوان یکی از ترکیبات شیمیائی ضروری به محیط رشد افزوده می شود تا پتانسی کاهشی محیط را کم کند. در واقع، عامل کاهنده پتانسیل کاهشی محیط را کم می کند و آن را در مقدار بهینه قرار می دهد. برخی از عوامل کاهنده متداول عبارتند از: سیستئیسن اسیدی163، سدیم سولفید164، دیتیوتریتول165، سدیم تیوگلیکولات166، اسید آسکوربیک167، تیتانیوم (III)-سیترات168، فریسیانید پتاسیم169، متیل وایولوژن170 و بنزیل وایولوژن171 [14, 99-101].
براساس گزارشهای موجود در متون، افزودن عامل کاهنده به محیط کشت باکتریهای کلستریدیوم در جابجائی متابولیزم باکتری به سمت فاز سالونتوژنیک موثر است. این مساله به در دسترس بودن مقادیر بیشتری از معادلهای کاهنده برای باکتری مربوط می شود که باکتری می تواند NADH لازم برای تبدیل استیل کوآنزیم A به اتانول را بسازد [14]. در واقع، این عوامل کاهنده مسیر حرکت الکترونها را تغییر داده و جریان کربن را به سمتی هدایت می کنند که منجر به تولید اتانول به جای اسید شود. کلاسون و همکارانش172[45] امکان افزایش تولید اتانول به جای استات را در محیط کشت ناپیوسته باکتری لانگالی با افزودن مقادیر کمی (30، 50 و 100 ppm) از عوامل کاهنده مختلف (سدیم تیوگلیکولات، اسید آسکوربیک، متیل وایولوژن و بنزیل وایولوژن) مورد مطالعه قرار دادند. افزودن 100ppm عامل کاهنده به محیط کشت در تمامی موارد موجب رشد بسیار کم سلولها گردید. در مقابل، غلظتهای 30 و 50 ppm در بیشتر موارد موجب افزایش تولید اتانول نسبت به اسید گردید. بیشترین نسبت اتانول به استات (1/1) و تولید 7/3 میلی مول اتانول با بنزیل وایولوژن در غلظت 30 ppm حاصل گردید. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از عوامل کاهنده که موجب افزایش نسبت محصولات می شد همواره با رشد کندتر باکتری همراه بود چرا که ATP کمتری در فرایند تولید می گردید [45].
تعیین غلظت بهینه عوامل کاهنده برای اطمینان از اینکه سطح مطلوبی از پتانسیل کاهشی در محیط رشد ارگانیزمهای بی هوازی ایجاد گردیده است حائز اهمیت است. این مساله در مورد سدیم سولفید اهمیت بیشتری دارد زیرا سولفید افزوده شده به محیط کشت نه تنها یونهایی نظیر HS- یا S2- تولید می کند بلکه می تواند با توجه به pH محیط کشت به H2S نیز تبدیل شود. سولفید هیدروژن ترکیب فراری است که می تواند از فاز محیط کشت بیرون رود و در نتیجه موجب تغییر پتانسیل کاهشی محلول شود [101]. بنابراین، تعیین میزان بهینه این ترکیب در محیط کشت ضروری است. در این زمینه، سیم و همکارانش173[99] غلظت بهینه سیستئین اسیدی (5/0-0 گرم در لیتر) و سدیم سولفید (5/0-0 گرم در لیتر) را در محیط کشت ناپیوسته باکتری کلستریدیوم استیکوم174 تعیین کردند. نتایج حاصله نشان داد که سدیم سولفید نقش چندانی در رشد سلول و مصرف CO نداشت، اما برای تولید اسید استیک لازم بود. بر اساس نتایج بهینه سازی آنها، غلظت 3/0 گرم بر لیتر از هر عامل کاهنده برای تبدیل 100% CO و تولید 28/1 گرم بر لیتر اسید استیک در زمان 60 ساعت کافی بود. در آزمایش دیگری که توسط هیو و همکارانش175 [101] انجام گردید، تاثیر غلظت سولفید (9/1-0 میلی مول) در تخمیر گاز سنتز توسط گونه ای از باکتری کلستریدیوم که P11 نامیده می شد، بررسی شد. نتایج نشان دهنده تاثیر مثبت غلظتهای بالاتر سولفور در افزایش تولید اتانول بود، در حالیکه استات در غلظتهای پائین تر سولفور تولید گردید.
همان طور که قبلا به آن اشاره شد، رشد باکتریهای بی هوازی می تواند در حضور ترکیبات سولفوری تحریک شود که این مساله به توانایی این ترکیبات در کم کردن پتانسی کاهشی محیط مربوط می شود. سولفید هیدروژن یکی از این ترکیبات است که معمولا به میزان بسیار کم در گاز سنتز وجود دارد. بر اساس گزارشی از دو و همکارانش176 [95]، فعالیت آنزیم CODH در حضور H2S هنگام تخمیر گاز سنتز توسط باکتری روبروم افزایش یافت. آنزیم CODH در این باکتری نسبت به تغییرات پتانسیل کاهشی بسیار حساس بود و فعالیتش در حضور H2S موجود در گاز سنتز که به عنوان یک عامل کاهنده عمل می کرد افزایش می یافت.

2-5-5 تاثیر عناصر جزئی
باکتریهای استوژنیک استیل کوآنزیم A را به عنوان ماده اولیه برای تولید بیومس سلولی وهمچنین اتانول و استات تولید می کنند. رشد سلول و تولید محصول با افزایش جریان کربن به سمت استیل کوآنزیم A بهبود می یابد. بدین منظور، باید فعالیت متالوآنزیمهایی177 که در مسیر

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره مواد معدنی، هزینه تمام شده، بازدارندگی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، بازدارنده ها، دینامیکی