metabolismo y rendimiento de los cultivos sobre superficies sólidas
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Metabolismo y rendimiento de los cultivos sobre superficies sólidas . Gustavo Viniegra González Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapalapa , D.F. MEXICO ([email protected]). Esquema metabólico global. Biomasa - D S X = D X/Y C. ATP Biosíntesis - D S in = D X/Y in. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Metabolismo y rendimiento de los cultivos sobre superficies sólidas.
Gustavo Viniegra GonzálezUniversidad Autónoma Metropolitana,
Iztapalapa, D.F.MEXICO ([email protected])
Esquema metabólico global
Consumo total – DST= SO – S
Biomasa-DSX = DX/YC
Respiración-DSQ = DX/YQ
ATP Biosíntesis-DSin = DX/Yin
ATP Mantenimiento-DSin =mXDt
Productos -DSP= DX/YP
Balance metabólico
tmXYXST DDD
Balance: YX/S = gX/gS; YX/P = gX/gP; Yp/S = gP/gS
Consumo =
Biosíntesis + Producción + Mantenimiento
(Modelo de J. Pirt)
Si DSP = 0;
tmXYYY
XSSPPXSX
T D
DD
///
11
Ciclo de vida de un moho
Germinación
Crecimento vegetativo
Crecimiento aéreo
Esporulación
Diferenciación
Modelo macroscópico
• La tasa específica de crecimiento, r, está definida como
r = (1/rA)drA/dtSe supone que, r, se anula cuando rA, se
aproxima a, rAmax.Modelo de von Bertanlanffy
r = m{1 – (rA/rAmax)n}rA << rAmax r m; rA rAmax, r 0
Liberación de calor en la FMS de A. niger sobre bagazo de caña, con glucosa.
• Dos picos de calor: germinación y crecimiento.
• Crecen con la concentración del substrato.
Datos de Oriol et al.
Medición de CO2 y O2
Componentes:• Columnas de FMS.• Cromatógrafo de
gases.• Computador.Beauveria bassiana
sobre cutícula de grilo
Tesis de D. Rodríguez, UAM (2009)
Respiración, metabolismo y crecimiento de A. niger vs. aw
Harina de yuca y bagazo de caña, aw, aumenta por la adición de
glucosa en el bagazo.SuperiorRespiración y consumo de substrato
en la FMSInferiorm aumenta com aw ()Germinación () más breve com
mayor aw
Datos: E. Oriol et al.
FMS con suporte inerte
A. niger en bagazo de caña, con jarabe de glucosa.
El hongo creció con 400 g/L de glucosa!
Cultivo de Verticillium lecanii sobre cutícula de grillo
J.E. Barranco-Florido et al. / Enzyme and Microbial Technology 30 (2002) 910–915
0 40 80 120 1600
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
ATCC 46578
ATCC 26854
UDLA
t (h)
mg
CO
2/h
g M
SI
Respiración de Beauveria bassiana
Salvado de trigo o cutícula de grilo.
Dos fases respiratorias (Ikasari y Mitchell, 2000)
a) Crecimiento exponencial
b) Autólisis de parte de la biomasa 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
-
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
Datos: D. Rodríguez, tesis doctoral en la UAMI, 2009
0 10 20 30 40 50 60
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
mg
CO 2 /
g M
SI* h
STS Cepa 88 STS Cepa 885.2
Balance respiratório
Respiración-DSQ = DX/YQ
ATP biosíntesis-DSx = DX/YX
ATP mantenimiento-DSm =mXDt
Productos -DSP =YPDX + bXDt
b está ligada à mantenimiento
Si los flujos de O2 y S están equilibrados, → m/m << 1,
(DSP = 0) Y, const..
DS/DX = 1/Y+m/m 1/Y
Cociente respiratorio
• CR = DCO2/DO2
• Ejemplos: C6H12O6 + 6O2 6 CO2+ 6H2OCR = 6/6 = 1
C6H12O6 + 2O2 2C2H4O2+ 2CO2 + 2H2OCR = 2/2 1
Es una indicación del tipo de metabolismo.
Modelo respiratorio*
• Se, X < XC (crecimiento exponencial)
• Se, X XC ; t tC (autólisis parcial)Biomassa X = X(activa) + X(inactiva)
EttEC XeXXk
dtdC
C )()( m
tekXdtdCX
dtdX mm 0;
C. Lareo et al. / Enzyme and Microbial Technology 38 (2006) 391–399
Crecimiento y Respiración de Mucor bacilliformis
• Poliuretano.• Crecimiento
exponencial con Glucosa (100 g/L)
• Esporulación si el substrato se agota.
C. Lareo et al. / Enzyme and Microbial Technology 38 (2006) 391–399
Cultivo de Gibberella fujikuroii por FMS
Amberlita• Substrato: Almidón
(189 g/L)
• La giberelina es producida después de que disminuye la respiración.
C. Gelmi et al. : Process Biochemistry 35 (2000) 1227–1233
Septo
Spitzenkörper
N
O2 O2 O2O2
O2O2 O2 O2
S S S
S S S
C6H12O6
2NAD6NAD 6NADH2
2CH3CH2COOH2NADH2
6O2
6CO2
6H2O2
6H2O2 → 6H2O +3O2catalases e peroxidases
Las especies reactivas de oxígeno (ROS)
• “La diferenciación … es una respuesta al estrés oxidativo”*.
*Hansberg and Aguirre, 1990; Aguirre et al., 2005.
Las hifas vegetativas aireadas se pegan para formar hifas aéreas.
Secreción de polisacáridos (PS)
logX → ← PS
A/V = 5
← PSA/V = 1
El O2 induce la formación de las hifas aéreas
“Cuando se aumentan o decrecen las concentraciones de oxígeno, ... Se observan, respectivamente, cantidades aumentadas o disminuídas de hifas aéreas ...”
+H → Air húmedo, -H → Air seco, airO2→ 50% O2, airN2→ 50% N2
(Brit. Mycol. Soc. Symp. Series 27: 235-257, 2008)
La catalasa 3 de N. crassa regula los ROS ligados a la diferenciación.La mutante negativa,
cat-3RIP, produce más hifas aéreas que Wt y más fotones asociados a la producción de ROS.
(Brit. Mycol. Soc. Symp. Series 27: 235-257 2008)
La red regulatoria de la respuesta a los ROS en levaduras es muy
compleja.Mcs1, Mcs2 e Mcs4
responden a H2O2.MAPK fosforila
proteínas regulatorias.
Cadena de respuestas génicas.
Tomado de: Aguirre et al., Trends in Microbiology. 13(3): 111 ,2005.
Modelo del impedimento estérico*
• Densidade máxima, rmax 50 mg (sólidos)/cm3.
• Contenido de sólidos r0 150 mg
/cm3.
• 2/3 de porosidad (aire)• Para el intercambio de
O2 y CO2.*Laukevics et al. B & B, 27: 1687 (1985). Dados de Nopharatana et al. B & B, 84: 71 (2003); Fotografía: D. Rodríquez, 2008
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40.000.010.020.030.040.05
Perfil de la biomasa de Rhizopus oligosporus
Espesor (cm)m
g/cm
3
Relación entre densidades de superficie, rA, y de volumen, rV.
rV = g/cm3 ; rA = g/cm2, h = cm; rV = rA/hdensidad de volumen =
densidad de superficie/espesor
S0 S0
O2 hc 0.01 cm
rV 0.05 g/cm3
rA = rVh ≤ 0.01 g/cm2
h 0.2 cm hc
h
Agotamiento del O2 por R. oligosporus crecido en caja Petri
hC = 60 mm; espesor de la capa crítica para el O2
¿Como se calculará el espesor crítico (hC) de un micelio?
z = hC
C = C0(1-z/hC)2
z
Comentario sobre hC
• El valor de, hC = 0.01 cm = espesor de la capa aeróbica.
• Fué medido con electrodos sensibles a oxígeno.
• El valor h hC, es el espesor de las capas aeróbica y anaeróbica
Integración de los modelos
• El micelio crece exponencialmente con un balance redox (Difusión = Consumo).
• Al llegar a un nivel rV < 0.05 g/cm3, la difusión de O2 es más lenta que su demanda.
• La penetración del oxígeno es, hC < 0.01 cm.
• El micelio con h > hC, es anóxico y no produce más biomasa, pero consume y transporta sustrato.
Crecimiento en capa fina
La capa aerobia con espesor, hC, crece hasta que rV = rVmax
O2 O2 O2 O2
La capa anaerobia consume substrato sin crecer. Yx/s decrece si, d hC
S S S S S S
Capa aerobia Capa anaerobia
Agar con substrato
hC
d
Definición de s0 (g/cm2)
• S0 = concentración del sustrato dentro del soporte (g/cm3).
• A = área del soporte (cm2)• V = volumen del suporte (cm3)• s0 = S0V/A (g/cm2)
• s0 = Sustrato inicialmente disponible en toda la superficie de contacto con el micelio.
• a = A/V (área específica); s0 = S0/a
Cálculos de a
• Placa con espesor, H; a 1/HEjemplo: placa de agar H = 1 cm; a 1/cm
• Cilindro con diámetro, d; a 4/dEjemplo: fibra con d = 0.1 cm; a
40/cm
• Esfera con diámetro, d; a 6/dEjemplo: esferas con d = 0.02 cm; a
300/cm
Volúmenes específicos (A/V)Matraz de 250 mL con V = 50 mL de agua
A/V = 2/cm
Menisco de 0.06 cm de espesor
A/V = 333/cm
A. niger en PUF con glucosa
¿Por qué la pendente es fija para FMS ()? YX/S = 0.35 gX/gS
¿Por qué es variable para FSm ()?
0 < S0< 100g/L
0
10
20
30
40
0 20 40 60 80 100
So (g/L)
X max
(g/L
)
Datos de SJ Romero, 2001
Crecimiento de A. niger en caja Petri.
• rA h rV = rA/h rV no varía con s0
1/Y = 1/Y0 + s0/eY0 = 0.5; si s0<< e(capa aeróbica)e rVhmax rAmax
0 10 20 30 40 50 60 700
4
8
12
0
1
2
3
σ0 (mgcm-2)
ρA
(mgc
m-2
)
h (m
m)
0 10 20 30 40 50 60 7002468
so (mgcm2)Yx
/s-1
rA
Datos de E. Ortega, 2012
Crecimiento en capa fina
La capa aerobia con espesor, hC, crece hasta que rV = rVmax
O2 O2 O2 O2
La capa anaerobia consume substrato sin crecer. Yx/s decrece si, d hC
S S S S S S
Capa aerobia Capa anaerobia
Agar con substrato
hC
d
Modelo de Nopharatana et al. (1998, 2003)*
El micelio aerobio crece h < hC hasta que rV rVmax
La capa aerobia sigue creciendo y formando nuevo micelio.
La capa anaerobia transporta sustrato (translocación)
El modelo no explica los resultados experimentales con Rhyzopus oligosporus (vea el Problema 3).
*Biotechnol. Techniques,12(4): 313–318, 1998; B & B 84(1): 71-77, 2003
¿Qué controla las densidades de los hongos?
Diferentes e1 con distintas cepas de A. niger.
Diferentes e2 con la misma cepa de A. niger y diferente soporte.
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
f(x) = 0.0670088631721111 x + 1.9991457660392
f(x) = NaN x + NaN
so (g/cm2)
1/Yx
/s
0 1 10 100 1000012345678
f(x) = 0.0132625642474307 x + 2.45420464882244
f(x) = 1.31097342244176 x + 1.54015490402264
e1 (mg/cm2) 15, vs.75; e2 0.8, vs. 74
Efecto de cepa y soporte sobre e
Las mutantes con menor eficiencia, tendrán e menor.
Los soportes con menos espacio intersticial tendrán e menor.
e mide la máxima producción de biomasa sobre la superficie.
Cuando s0 < 1 mg/cm2 el rendimiento es máximo y similar para diferentes cultivos.
Consecuencias del modelo• Dos fases respiratórias exponenciales:
creciente y decreciente.• La 1ª → metabolitos primários; la 2ª →
metabolitos secundários, → esporulación.• Transición: acumulación de espécies
reactivas de oxígeno (ROS).• La variación de s0 controla el espesor y tipo
de metabolismo de la capa fúngica.
Aplicaciones:
• Control respiratorio en línea →control de la FMS.
• El O2 limita la densidad y espesor de la biomasa sobre superfícies sólidas.
• Pulsos de O2 esporulación.
Los pulsos de O2 aumentan la esporulación en superficie
Tratamiento
X=biomasa(mg cm-2)
Conidia(x107conidia cm-
2)
YC/X (x107conidia mg-1 X)
P (x105 conidia cm-2 h-1)
21% O2 4.78* (±0.25)
2.08 (±0.21)
0.43 (±0.05)
1.33 (±0.13)
26% O2 3.78 (±0.18)
4.25* (±0.13)
1.12* (±0.03)
2.72* (±0.08)
Metarhizium anisopliae var. lepidiotumTecuitl-Beristain et al. Mycopathologia (2010) 169:387–394
Problema 1
¿Cuántas bandejas por lote quincenal se requieren para producir esporas de M. anisopliae, aplicadas en 5,000 Ha?¿Cuántas Ha cubrirá esa fábrica en 300 días?
Datos: 1.36 kg (MS) de salvado de trigo por bandeja con partículas cúbicas de 0.05 cm de arista y 60% de humedad. C = 3x107 esporas por cm2. Cada Ha requiere 1012 esporas
Problema 2
Columnas con gránulos esféricos de almidón (d = 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 cm) y sales minerales. El almidón retiene una vez su volumen de agua y se degrada en un 80%.
Un cultivo de A. niger, produce rendimientos Y = 0.69, 0.32, 0.24, 0.16 (gX/gS).
Calcule, el área total de 1 kg (húmedo) de gránulos con d = 0.15 cm y densidad del sustrato 1.2g/cm3
Calcule e y estime la biomasa producida con ese d.
Problema 3
Compare los artículos de Oostra et al. (2001) y Rahardjo et al. (2002) sobre hC.
Diga por qué los perfiles de oxígeno en el micelio explican las diferencias entre el modelo de Nopharatana et al. (1998) y sus resultados de 2003.
¿Cómo se imagina la capa de Rhyzopus oligosporus?
Problema 4
Explique por qué los cultivos aireados de A. niger sobre partículas de agriolita, pueden metabolizar jarabes hipertónicos de glucosa (300 g/L).
Suponga que las partículas tienen A/V = 50/cm y que Y0 = 0.5, e = 0.001 g/cm2. Calcule Y.
Discuta qué tipo de metabolismo estará ocurriendo. ¿Cómo será el cociente respiratorio? Revise el Balance Metabólico