- คุณสมบัติ Chemostat
- หลักการวิธีการ
- ประวัติศาสตร์
- การประยุกต์ใช้งาน
- ชีววิทยาปรับตัวและวิวัฒนาการ
- ชีววิทยาของเซลล์
- อณูชีววิทยา
- วัฒนธรรมที่อุดมสมบูรณ์
- การผลิตเอทานอล
- อ้างอิง
chemostatเป็นอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้สำหรับการเพาะปลูกของเซลล์และเชื้อจุลินทรีย์ เรียกอีกอย่างว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพและมีความสามารถในการจำลองสภาพแวดล้อมทางน้ำเช่นทะเลสาบการตกตะกอนหรือบ่อบำบัดเป็นต้น
โดยทั่วไปจะอธิบายว่าเป็นภาชนะบรรจุ (ขนาดจะขึ้นอยู่กับว่าใช้ในอุตสาหกรรมหรือในห้องปฏิบัติการ) โดยมีทางเข้าเพื่อให้วัสดุที่ปราศจากเชื้อเข้าสู่และทางออกที่วัสดุที่เกิดจากกระบวนการจะออกซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นสารอาหาร ของเสียวัสดุที่ปราศจากเชื้อจุลินทรีย์และอื่น ๆ
แผนภาพของ chemostat ถ่ายและตัดต่อจาก: CGraham2332.
นักวิทยาศาสตร์ Jacques Monod, Aaron Novick และ Leo Szilard ค้นพบและนำเสนอโดยอิสระและเกือบจะพร้อมกันในปี 1950 Monod ทำงานคนเดียวและเรียกมันว่า bactogen ในขณะที่ Novick และ Szilard ทำงานร่วมกันและเรียกมันว่า chemostat ซึ่งเป็นชื่อที่ยังคงมีอยู่จนถึงทุกวันนี้ .
คุณสมบัติ Chemostat
chemostat มีลักษณะเฉพาะด้วยการเพิ่มอย่างต่อเนื่องของสื่อที่มีสารอาหารเดียวที่ จำกัด การเจริญเติบโตและกำจัดส่วนหนึ่งของวัฒนธรรมไปพร้อม ๆ กันเช่นการผลิตส่วนเกินสารเมตาบอไลต์และสารอื่น ๆ การกำจัดนี้จะถูกแทนที่ด้วยวัสดุใหม่อย่างต่อเนื่องดังนั้นจึงมีความสมดุลที่มั่นคง
ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้อัตราที่การเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์พัฒนาจะเท่ากับอัตราที่มีการเจือจาง นี่เป็นกุญแจสำคัญเมื่อเทียบกับวิธีการเพาะปลูกอื่น ๆ เนื่องจากสถานะที่เสถียรสามารถเข้าถึงได้ในสภาพแวดล้อมที่คงที่และกำหนดไว้
ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งคือด้วยคีโมสแตทผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมตัวแปรทางกายภาพเคมีและชีวภาพเช่นปริมาณของบุคคลในวัฒนธรรมออกซิเจนที่ละลายน้ำปริมาณสารอาหาร pH เป็นต้น
หลักการวิธีการ
วิธีการนี้ประกอบด้วยประชากรของจุลินทรีย์ที่เติบโตจากจุดเริ่มต้นในลักษณะเดียวกับการเพาะเลี้ยงแบบไม่ต่อเนื่องหรือแบบกลุ่ม (การเลี้ยงแบบเหลวที่ง่ายที่สุด) เมื่อประชากรเพิ่มขึ้นจำเป็นต้องถอนปริมาณวัฒนธรรมที่คล้ายคลึงกับที่เพิ่มเข้ามาพร้อม ๆ กันไม่ว่าจะมีการใช้วัฒนธรรมที่ถูกถอนออกไปหรือไม่ก็ตาม
ด้วยวิธีนี้ใน chemostat การเจือจางจะดำเนินการโดยใช้การเติมอาหารสดอย่างต่อเนื่องและการกำจัดวัฒนธรรมตามที่อธิบายไว้ในส่วนหนึ่งของย่อหน้าก่อนหน้า สารอาหารชนิดเดียวมีหน้าที่ จำกัด การเจริญเติบโตในภาชนะในขณะที่ส่วนที่เหลือมีอยู่มากเกินไป
สารอาหารที่ จำกัด การเจริญเติบโตเพียงอย่างเดียวนี้ถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยผู้ที่ทำการทดลองซึ่งอาจเป็นสารอาหารใด ๆ ก็ได้และในหลาย ๆ กรณีก็จะขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ในวัฒนธรรม
ประวัติศาสตร์
การเพาะเลี้ยงเชื้อจุลินทรีย์แบบกลุ่มมีอายุย้อนหลังไปหลายศตวรรษ (การผลิตเบียร์และเครื่องดื่มอื่น ๆ ) อย่างไรก็ตามการปลูกพืชต่อเนื่องเป็นสิ่งที่ค่อนข้างทันสมัยกว่า นักจุลชีววิทยาบางคนกล่าวถึงจุดเริ่มต้นของการเพาะปลูกอย่างต่อเนื่องของ Sergey Vinogradsky นักจุลชีววิทยาชื่อดังชาวรัสเซีย
Vinogradski ศึกษาการเจริญเติบโตของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดมะเร็งในอุปกรณ์ที่ออกแบบเอง (คอลัมน์ Vinogradski) ในระหว่างการศึกษาเขาป้อนไฮโดรเจนซัลไฟด์หยดลงในคอลัมน์เพื่อเป็นอาหารสำหรับแบคทีเรียเหล่านี้
เมื่อพูดถึงการเพาะปลูกอย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องพูดถึงตัวละคร 3 ตัว ได้แก่ Jacques Monod, Aaron Novick และ Leo Szilard Monod เป็นนักชีววิทยาที่มีชื่อเสียงและได้รับรางวัลโนเบลในปีพ. ศ. 2508
นักวิจัยคนนี้ (Monod) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสถาบันปาสเตอร์ได้พัฒนาการทดสอบการคำนวณและการวิเคราะห์ระหว่างปีพ. ศ. 2474 ถึง พ.ศ. 2493 ในช่วงเวลานี้เขาได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ซึ่งต่อไปจะเรียกว่าสมการ Monod
ในปีพ. ศ. 2493 จากสมการที่เป็นชื่อของเขาเขาได้ออกแบบแบบจำลองของเครื่องมือที่อนุญาตให้มีการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์อย่างต่อเนื่องและเรียกมันว่า bactogen
ในทางกลับกันนักวิทยาศาสตร์โนวิค (นักฟิสิกส์) และซิลาร์ด (นักเคมี) พบกันขณะทำงานในโครงการแมนฮัตตัน (ระเบิดปรมาณู) ในปี พ.ศ. 2486 หลายปีต่อมาพวกเขาจะเริ่มแสดงความสนใจในการเติบโตของแบคทีเรียและในปีพ. ศ. 2490 พวกเขาร่วมมือกันเพื่อทำงานร่วมกันและใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้
หลังจากการทดสอบและการวิเคราะห์หลายครั้ง Novick และ Szilard จากการคำนวณของ Monod (สมการของ Monod) ก็ได้คิดค้นรูปแบบของการเพาะเลี้ยงสิ่งมีชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์อย่างต่อเนื่องในปี 1950 ซึ่งเรียกว่า chemostat และเป็นชื่อที่ได้รับการดูแลมาจนถึงปัจจุบัน . แต่ทั้งสามคนให้เครดิตกับการประดิษฐ์
การประยุกต์ใช้งาน
ชีววิทยาปรับตัวและวิวัฒนาการ
เครื่องมือที่นำเสนอโดยระบบการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์แบบต่อเนื่องนี้ถูกใช้โดยนักนิเวศวิทยาและนักวิวัฒนาการเพื่อศึกษาว่าอัตราการเติบโตมีผลต่อกระบวนการของเซลล์และการเผาผลาญอาหารอย่างไรและควบคุมความดันในการคัดเลือกและการแสดงออกของยีนอย่างไร
สิ่งนี้เกิดขึ้นได้โดยการประเมินและดูแลรักษาหลายสิบถึงหลายร้อยชั่วอายุคนใน chemostat ภายใต้สภาวะควบคุม
chemostats สองตัวใช้ในการวิเคราะห์ความเป็นพิษของแอมโมเนียมในยีสต์ ถ่ายและแก้ไขจาก: (ภาพ: Maitreya Dunham)
ชีววิทยาของเซลล์
การศึกษาเกือบทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับ chemostat เกี่ยวข้องกับชีววิทยาของเซลล์แม้กระทั่งโมเลกุลวิวัฒนาการ ฯลฯ
อย่างไรก็ตามโดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ chemostat สำหรับสาขาชีววิทยานี้ให้ข้อมูลที่มีค่าซึ่งช่วยให้สามารถพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นในการทำความเข้าใจกระบวนการเผาผลาญในประชากรที่ทำการศึกษา
อณูชีววิทยา
ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาความสนใจในการใช้คีโมสแตทในการวิเคราะห์ระดับโมเลกุลของยีนจุลินทรีย์ได้เติบโตขึ้น วิธีการเพาะเลี้ยงช่วยให้ได้รับข้อมูลสำหรับการวิเคราะห์ที่ครอบคลุมหรือเป็นระบบของการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์
การศึกษา Chemostat ในสาขานี้อนุญาตให้มีการวิเคราะห์การถอดความดีเอ็นเอตลอดทั้งจีโนมเช่นเดียวกับการหาปริมาณการแสดงออกของยีนหรือการระบุการกลายพันธุ์ในยีนเฉพาะของสิ่งมีชีวิตเช่นยีสต์ Saccharomyces cerevisiae เป็นต้น
วัฒนธรรมที่อุดมสมบูรณ์
การศึกษาเหล่านี้ดำเนินการโดยใช้ระบบที่ไม่ต่อเนื่องตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 ด้วยผลงานของ Beijerinck และ Vinogradski ในขณะที่ในยุค 60 ของศตวรรษที่ผ่านมาพวกเขาเริ่มดำเนินการในวัฒนธรรมที่ต่อเนื่องโดยใช้ chemostat
การศึกษาเหล่านี้ประกอบด้วยการเพิ่มคุณค่าอาหารเลี้ยงเชื้อเพื่อเก็บเกี่ยวจุลินทรีย์ประเภทต่างๆ (แบคทีเรียโดยทั่วไป) นอกจากนี้ยังใช้เพื่อตรวจสอบการขาดของสิ่งมีชีวิตบางชนิดหรือตรวจหาการมีอยู่ของบางชนิดที่มีสัดส่วนต่ำมากหรือแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตได้ในอาหาร ธรรมชาติ.
นอกจากนี้ยังใช้วัฒนธรรมที่เสริมสร้างในระบบต่อเนื่องแบบเปิด (chemostats) เพื่อพัฒนาการเพาะเลี้ยงแบคทีเรียที่กลายพันธุ์โดยส่วนใหญ่เป็นสารเสริมสร้างหรือเชื้อที่อาจดื้อต่อยาเช่นยาปฏิชีวนะ
การผลิตเอทานอล
จากมุมมองทางอุตสาหกรรมการใช้และการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเป็นเรื่องปกติมากขึ้น ในกรณีนี้เป็นการผลิตเอทานอลจากแบคทีเรียแกรมลบ Zymomonas mobilis
ในกระบวนการนี้จะใช้คีโมสแตทแบบอนุกรมขนาดใหญ่หลายตัวโดยคงความเข้มข้นของกลูโคสและน้ำตาลอื่น ๆ ไว้อย่างต่อเนื่องเพื่อเปลี่ยนเป็นเอทานอลภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน
อ้างอิง
- Chemostat: เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนต่อเนื่องในอุดมคติ ดึงมาจาก: biorreactores.tripod.
- Chemostat. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.
- N. Ziv, NJ Brandt และ D.Gresham (2013) การใช้ Chemostats ในชีววิทยาระบบจุลินทรีย์ วารสารการทดลองที่มองเห็นได้
- A.Novick & L. Szilard (1950). คำอธิบายของ chemostat วิทยาศาสตร์.
- จ. มนอด (2492). การเจริญเติบโตของวัฒนธรรมแบคทีเรียการทบทวนจุลชีววิทยาประจำปี
- D.Gresham & J.Hong (2015). พื้นฐานการทำงานของวิวัฒนาการการปรับตัวใน chemostats ความคิดเห็นทางจุลชีววิทยาของ FEMS
- HG Schlegel และ HW Jannasch (1967) วัฒนธรรมการเพิ่มคุณค่า การทบทวนจุลชีววิทยาประจำปี
- J. Thierie (2559). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับทฤษฎีระบบการแพร่กระจายแบบหลายเฟส (eds) ธรรมชาติสปริงเกอร์ 210 น.