[发明专利]一种培养磁细菌生产磁小体的最适溶氧控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及细菌培养领域，具体地涉及一种培养磁细菌生产磁小体的最适溶氧控制方法。

背景技术

趋磁细菌是一类具有趋磁性的革兰氏阴性细菌，在胞内能够合成排列成链的有脂膜包被的纳米磁性颗粒——磁小体。磁小体具备优良载体的主要性质和特点，具有广泛的应用前景。但仅局限于实验室水平，尚未出现商业上的应用。主要是趋磁细菌难以人工培养，磁小体合成条件不易控制，原因在于：1)趋磁细菌对环境中的营养要求苛刻，仅能利用少数几种有机物酸为碳源；2)在自然界中趋磁细菌通常生活在低氧分压的环境中才有利于合成磁小体，但在人工培养的条件下，难以模拟低溶氧条件来满足磁小体合成的需要。由于磁小体的合成受到氧浓度的严格限制，只有在一定的溶氧水平才能合成。因而氧浓度的控制成为趋磁细菌大量培养的关键。趋磁细菌培养过程中的氧浓度控制措施曾出现过很多种。最初是Blakemore等采用自制的大型容器培养MS-1，在培养基中加有氧还状态显色剂，接种前一直通入N₂，接种后密闭容器，静置培养。当氧浓度降低使培养基被还原而变色时，通入空气直至培养基再次变色，以此控制气相氧浓度为1～3％。随后出现了精确控制和自动控制溶氧的方法，Matsunaga等在培养ABM-1时通过交替通入氧气或氩气来控制发酵罐内气相氧浓度为2～8％。而在培养MSR-1时，姜伟和付刚等采用含有一定浓度氧气的氮气作为供气气源控制罐内气相氧浓度；D.Schuler等则建立了自动控制较低溶氧的恒氧培养技术：采用高灵敏度溶氧探头测定溶氧，当其超过设定值时，系统自动关闭氧气源开关，打开氮气源开关。

以上报道培养磁细菌都是提供混合气体即含有一定浓度的氧气与惰性气体(或持续通惰性气体并间歇通空气使气相氧浓度为一定值)，或与高灵敏度溶氧电极联用实现对溶氧进行精确控制。但在大规模工业化培养时，发酵罐内溶氧电极的灵敏度一般达不到这个要求，而且如果采用惰性气体供气需要有制备惰性气体的设备，将使成本急剧增加。

德国学者在分析溶氧对磁小体合成的影响时曾用空气作气源培养磁螺菌，但由于磁小体产量太低而放弃了以空气作气源的培养方式，没有进一步研究以便寻求通空气条件下提高磁小体合成水平的控制条件。磁螺菌在通空气的条件能够生长，理论上来讲，随着细胞密度的增加，细胞耗氧量增大，培养液中溶氧将逐渐降低至适合磁小体合成的水平。但维持这一溶氧水平，必然要求细胞能够持续快速生长，需要在培养过程中适时补料。目前培养磁细菌进行补料的只有日本学者和中国的姜伟等。日本学者在培养磁螺菌AMB-1时建立了恒pH补料及分批补充铁源的方式，但细胞生长速度较慢，培养4天仅可收获0.58g/L的细胞干重。

文献报道在始终保持溶氧恒定的培养条件下，磁小体合成水平随溶氧降低而升高，但当溶氧低于细胞生长的临界溶氧后，细胞生长将受到抑制，罐上磁小体产率应该是细胞产率与单个细胞内磁小体产率的乘积，即可表述为dP＝k(B+dB)(dt)(C-dC)(dt)＝k[BC+CdB-(B+dB)dC](dt)²(此处P表示罐上磁小体产率，B表示单个细胞内磁小体合成速度，C表示细胞增长速度，t表示生长时间，d表示微分，k为常数)。

当溶氧越来越低时，dB值越来越大，C值在溶氧低于临界溶氧前将保持不变，即dC为零，此时dP＝k(BC+CdB)(dt)²，随溶氧降低而增大。当溶氧低于临界溶氧后，dB和dC值均随溶氧降低而增大，但CdB-(B+dB)dC在低于临界溶氧的一定溶氧范围内仍然是随溶氧降低而增大直至最大值，此时的溶氧就是使dP最大的溶氧，要略低于细胞生长临界溶氧。但由于溶氧电极灵敏度的限制，这个实际溶氧值难于被检测到。而细胞生长临界溶氧非常接近于使dP最大的溶氧水平，而且细胞生长临界溶氧很容易通过细胞生长速度反映出来(根据细胞生长临界溶氧的定义：细胞生长受到抑制而出现生长速度变慢时的溶氧就是细胞生长临界溶氧)。因此，为满足磁小体对溶氧的需求，理论上可以将溶氧始终控制在细胞生长临界溶氧左右，然而目前还没有根据细胞生长速度变慢作为指标来控制实际溶氧始终处于细胞临界溶氧水平的报道。