1Μεθοδολογία

Στις ασκήσεις με καμπύλες ανάπτυξης αναγνώρισε πρώτα τη φάση κάθε τμήματος και μετά ψάξε τι άλλαξε στις συνθήκες. Στις ασκήσεις με αριθμούς φέρε πρώτα όλους τους χρόνους στην ίδια μονάδα.

Υπολογισμοί με τον χρόνο διπλασιασμού

1. Γράψε όλους τους χρόνους στην ίδια μονάδα, συνήθως σε λεπτά.
2. Αν δίνεται λανθάνουσα φάση, αφαίρεσε τη διάρκειά της από τον συνολικό χρόνο. Ο πληθυσμός σε αυτήν δεν αυξάνεται.
3. Βρες τον αριθμό των διπλασιασμών: n = t / T, όπου t ο χρόνος στην εκθετική φάση και T ο χρόνος διπλασιασμού.
4. Υπολόγισε τον τελικό πληθυσμό: N = N₀ × 2ⁿ.

2Ερωτήσεις κλειστού τύπου

Πάτα μια απάντηση για να δεις αν είναι σωστή. Στο τέλος θα δεις πόσες βρήκες.

Πολλαπλής επιλογής

1. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή;

   Στη στατική φάση ο πληθυσμός παραμένει σταθερός, επειδή οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στις νέες συνθήκες.Η βιομάζα είναι το σύνολο των κυττάρων που υπάρχουν στον βιοαντιδραστήρα.Στη συνεχή καλλιέργεια οι μικροοργανισμοί περνούν και από τις τέσσερις φάσεις ανάπτυξης.Οι αυτότροφοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν υδατάνθρακες ως πηγή άνθρακα.

   Η προσαρμογή αφορά τη λανθάνουσα φάση, η συνεχής καλλιέργεια μένει στην εκθετική και οι αυτότροφοι χρησιμοποιούν CO₂.

2. Δίνονται οι μικροοργανισμοί I. Lactobacillus, II. Mycobacterium, III. Clostridium και οι ιδιότητες 1. ανάπτυξη σε pH 4–5, 2. υποχρεωτικά αερόβιος, 3. υποχρεωτικά αναερόβιος, 4. προαιρετικά αερόβιος. Ποια αντιστοίχιση είναι σωστή;

   I-2, II-4, III-1I-1, II-3, III-2I-1, II-2, III-3I-4, II-2, III-3

   Προαιρετικά αερόβιοι (ιδιότητα 4) είναι οι μύκητες της αρτοβιομηχανίας, που δεν υπάρχουν στη λίστα.

3. Στη στατική φάση μιας κλειστής καλλιέργειας ο αριθμός των μικροοργανισμών:

   αυξάνεται με ταχύ ρυθμό.μειώνεται, επειδή η θερμοκρασία δεν είναι η άριστη.παραμένει σταθερός, επειδή εξαντλείται κάποιο θρεπτικό συστατικό ή συσσωρεύονται τοξικά προϊόντα.παραμένει σταθερός, επειδή οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στο νέο περιβάλλον.

   Η τελευταία επιλογή περιγράφει τη λανθάνουσα φάση.

4. Για το άγαρ δίνονται οι προτάσεις: 1. Προέρχεται από φύκη. 2. Είναι ρευστό σε θερμοκρασίες κάτω από 45 °C. 3. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή στερεών θρεπτικών υλικών. Σωστές είναι:

   μόνο η 1.η 1 και η 2.η 2 και η 3.η 1 και η 3.

   Το άγαρ είναι ρευστό πάνω από τους 45 °C και στερεοποιείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

5. Οι μύκητες που χρησιμοποιούνται στην αρτοβιομηχανία είναι:

   υποχρεωτικά αερόβιοι.προαιρετικά αερόβιοι.υποχρεωτικά αναερόβιοι.αυτότροφοι.

   Αναπτύσσονται και χωρίς O₂, αλλά ταχύτερα όταν υπάρχει.

6. Ο εμβολιασμός είναι:

   η καταστροφή των μικροοργανισμών που υπάρχουν σε ένα θρεπτικό υλικό.η είσοδος παθογόνων μικροοργανισμών σε ένα περιβάλλον.ο διαχωρισμός των κυττάρων από το υγρό θρεπτικό υλικό.η τεχνητή προσθήκη μικροοργανισμών σε ένα νέο περιβάλλον.

   Η πρώτη επιλογή είναι η αποστείρωση και η δεύτερη η μόλυνση.

7. Ο διαχωρισμός των στερεών από τα υγρά συστατικά του βιοαντιδραστήρα γίνεται με:

   διήθηση ή φυγοκέντρηση.αποστείρωση.εμβολιασμό.επώαση σε κλίβανο.

   Είναι το πρώτο βήμα της τελικής κατεργασίας.

8. Σε μια συνεχή καλλιέργεια οι μικροοργανισμοί βρίσκονται διαρκώς σε:

   λανθάνουσα φάση.στατική φάση.εκθετική φάση.φάση θανάτου.

   Τα θρεπτικά συστατικά ανανεώνονται συνεχώς και τα άχρηστα προϊόντα απομακρύνονται.

9. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι λανθασμένη;

   Ο όρος ζύμωση περιλαμβάνει και αερόβιες διεργασίες.Τα βακτήρια του γένους Mycobacterium είναι προαιρετικά αερόβια.Η μελάσα χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα στις βιομηχανικές καλλιέργειες.Η Βιοτεχνολογία, με την ευρεία έννοια, δεν είναι καινούργια επιστήμη.

   Τα βακτήρια του γένους Mycobacterium είναι υποχρεωτικά αερόβια.

10. Ένα βακτήριο έχει χρόνο διπλασιασμού 30 λεπτά. Αν ξεκινήσουμε με 200 κύτταρα σε εκθετική φάση, μετά από 2 ώρες θα υπάρχουν:

    800 κύτταρα.1.600 κύτταρα.3.200 κύτταρα.6.400 κύτταρα.

    120 / 30 = 4 διπλασιασμοί, άρα 200 × 2⁴ = 3.200 κύτταρα.

Σωστό ή Λάθος

1. Η Βιοτεχνολογία, με την ευρεία έννοια, είναι επιστήμη που εμφανίστηκε τον 20ό αιώνα.

   ΣωστόΛάθος

   Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς εδώ και χιλιάδες χρόνια.

2. Ο όρος ζύμωση αφορά την ανάπτυξη μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό, ανεξάρτητα από το αν υπάρχει οξυγόνο.

   ΣωστόΛάθος

   Παλαιότερα αφορούσε μόνο τις αναερόβιες διεργασίες.

3. Στις συνεχείς καλλιέργειες ο αριθμός των μικροοργανισμών παραμένει αμετάβλητος σε όλη τη διάρκεια της καλλιέργειας.

   ΣωστόΛάθος

   Οι μικροοργανισμοί βρίσκονται διαρκώς σε εκθετική φάση.

4. Κατά τη λανθάνουσα φάση ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται.

   ΣωστόΛάθος

   Παραμένει σχεδόν σταθερός, επειδή οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται.

5. Τα βακτήρια του γένους Clostridium αναπτύσσονται μόνο όταν δεν υπάρχει οξυγόνο.

   ΣωστόΛάθος

   Είναι υποχρεωτικά αναερόβια.

6. Το άγαρ αποτελεί πηγή άνθρακα για τους μικροοργανισμούς της καλλιέργειας.

   ΣωστόΛάθος

   Χρησιμεύει μόνο για τη στερεοποίηση του θρεπτικού υλικού.

7. Οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν υδατάνθρακες ως πηγή άνθρακα.

   ΣωστόΛάθος

   Οι αυτότροφοι χρησιμοποιούν CO₂.

8. Κάθε αποικία που αναπτύσσεται σε στερεό θρεπτικό υλικό προέρχεται από ένα αρχικό κύτταρο.

   ΣωστόΛάθος

   Γι’ αυτό το στερεό θρεπτικό υλικό χρησιμεύει στην απομόνωση μικροοργανισμών.

9. Τα βακτήρια του γένους Lactobacillus αναπτύσσονται σε pH 6–9.

   ΣωστόΛάθος

   Αναπτύσσονται σε pH 4–5.

10. Η βιομάζα είναι ένα από τα προϊόντα της ζύμωσης.

    ΣωστόΛάθος

    Το άλλο είναι τα προϊόντα των κυττάρων, π.χ. πρωτεΐνες και αντιβιοτικά.

11. Στην κλειστή καλλιέργεια απομακρύνονται συνεχώς τα τοξικά προϊόντα του μεταβολισμού.

    ΣωστόΛάθος

    Αυτό συμβαίνει στη συνεχή καλλιέργεια.

12. Ένα προϊόν που συντίθεται στη στατική φάση μπορεί να παραχθεί με συνεχή καλλιέργεια.

    ΣωστόΛάθος

    Στη συνεχή καλλιέργεια τα κύτταρα δεν φτάνουν ποτέ στη στατική φάση.

13. Οι αυτότροφοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν το CO₂ ως πηγή άνθρακα.

    ΣωστόΛάθος

    Οι ετερότροφοι χρησιμοποιούν υδατάνθρακες.

14. Η αποστείρωση των θρεπτικών υλικών γίνεται μετά τον εμβολιασμό.

    ΣωστόΛάθος

    Γίνεται πριν, αλλιώς θα καταστρεφόταν και ο μικροοργανισμός που καλλιεργούμε.

Αντιστοίχιση

1. Να αντιστοιχίσετε κάθε φάση της στήλης Ι με μία περιγραφή της στήλης ΙΙ. Μία περιγραφή περισσεύει.

   • 1. Λανθάνουσα φάση
   • 2. Εκθετική φάση
   • 3. Στατική φάση
   • 4. Φάση θανάτου

   • Α. Ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται.
   • Β. Οι μικροοργανισμοί διαιρούνται με ταχύ ρυθμό.
   • Γ. Οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στις νέες συνθήκες.
   • Δ. Έχει εξαντληθεί κάποιο θρεπτικό συστατικό ή έχουν συσσωρευτεί τοξικά προϊόντα.
   • Ε. Προστίθεται συνεχώς νέο θρεπτικό υλικό.
   Δείξε την απάντηση

   1 – Γ · 2 – Β · 3 – Δ · 4 – Α. Περισσεύει το Ε, που περιγράφει τη συνεχή καλλιέργεια.

Συμπλήρωση κενών

1. Το είναι πολυσακχαρίτης που προέρχεται από φύκη και στερεοποιείται σε θερμοκρασίες κάτω από °C.

   Δείξε την απάντηση

   άγαρ, 45

2. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε pH και σε θερμοκρασία °C.

   Δείξε την απάντηση

   6–9, 20–45

3. Η καλλιέργεια μικροοργανισμών σε μεγάλη κλίμακα γίνεται σε συσκευές που ονομάζονται .

   Δείξε την απάντηση

   βιοαντιδραστήρες (ζυμωτήρες)

4. Ως πηγή αζώτου οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν ή ιόντα.

   Δείξε την απάντηση

   αμμωνιακά, νιτρικά

5. Τα στερεά χωρίζονται από τα υγρά συστατικά του βιοαντιδραστήρα με ή .

   Δείξε την απάντηση

   διήθηση, φυγοκέντρηση

6. Τα προϊόντα της ζύμωσης είναι η και τα προϊόντα των κυττάρων, όπως οι και τα αντιβιοτικά.

   Δείξε την απάντηση

   βιομάζα, πρωτεΐνες

7. Οι μικροοργανισμοί για τους οποίους το οξυγόνο είναι τοξικό ονομάζονται .

   Δείξε την απάντηση

   υποχρεωτικά αναερόβιοι

3Επαναληπτικές ερωτήσεις θεωρίας

Απάντησε πρώτα μόνος σου και μετά άνοιξε την απάντηση για να ελέγξεις τι σου ξέφυγε.

1. Πώς ορίζεται η Βιοτεχνολογία; Γιατί λέμε ότι, με την ευρεία έννοια, δεν είναι καινούργια επιστήμη;

   Δείξε την απάντηση

   Είναι η χρήση ζωντανών οργανισμών προς όφελος του ανθρώπου. Συνδυάζει επιστήμη και τεχνολογία, με στόχο την εφαρμογή των γνώσεων που έχουν αποκτηθεί από τη μελέτη των ζωντανών οργανισμών.

   Δεν είναι καινούργια, γιατί ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς εδώ και χιλιάδες χρόνια για να παρασκευάζει ψωμί, κρασί, μπίρα, γιαούρτι και τυρί.

2. Τι ονομάζουμε χρόνο διπλασιασμού ενός πληθυσμού μικροοργανισμών; Ποιοι παράγοντες τον επηρεάζουν (ονομαστικά);

   Δείξε την απάντηση

   Είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διπλασιαστεί ο αριθμός των κυττάρων του πληθυσμού.

   Εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών, το pH, το οξυγόνο και τη θερμοκρασία.

3. Ποια θρεπτικά συστατικά χρειάζεται ένας μικροοργανισμός για να αναπτυχθεί; Ποια είναι η πηγή του καθενός;

   Δείξε την απάντηση

   • Άνθρακας: CO₂ για τους αυτότροφους, υδατάνθρακες για τους ετερότροφους.
   • Άζωτο: αμμωνιακά ή νιτρικά ιόντα.
   • Μεταλλικά ιόντα: απαραίτητα για τις χημικές αντιδράσεις του κυττάρου και ως συστατικά διάφορων μορίων.
   • Νερό.

4. Ποια είναι η διαφορά αυτότροφων και ετερότροφων μικροοργανισμών ως προς την πηγή άνθρακα;

   Δείξε την απάντηση

   Οι αυτότροφοι χρησιμοποιούν το CO₂, ενώ οι ετερότροφοι οργανικές ενώσεις, κυρίως υδατάνθρακες.

5. Πώς επηρεάζει το pH την ανάπτυξη των μικροοργανισμών; Να αναφέρετε ένα παράδειγμα μικροοργανισμού που αναπτύσσεται σε όξινο περιβάλλον.

   Δείξε την απάντηση

   Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε pH 6–9.

   Τα βακτήρια του γένους Lactobacillus αναπτύσσονται σε pH 4–5.

6. Σε ποιες κατηγορίες χωρίζονται οι μικροοργανισμοί ανάλογα με την ανάγκη τους για οξυγόνο; Να δώσετε ένα παράδειγμα για κάθε κατηγορία.

   Δείξε την απάντηση

   • Υποχρεωτικά αερόβιοι: χρειάζονται υψηλή συγκέντρωση O₂, π.χ. Mycobacterium.
   • Προαιρετικά αερόβιοι: αναπτύσσονται και χωρίς O₂, αλλά ταχύτερα παρουσία του, π.χ. οι μύκητες της αρτοβιομηχανίας.
   • Υποχρεωτικά αναερόβιοι: το O₂ είναι τοξικό γι’ αυτούς, π.χ. Clostridium.

7. Πώς επηρεάζει η θερμοκρασία την ανάπτυξη των μικροοργανισμών;

   Δείξε την απάντηση

   Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται άριστα στους 20–45 °C. Η E. coli, για παράδειγμα, στους 37 °C.

   Υπάρχουν όμως και είδη με άριστη θερμοκρασία πάνω από 45 °C, όπως τα βακτήρια των θερμών πηγών, ή κάτω από 20 °C.

8. Να γράψετε ένα χαρακτηριστικό για καθέναν από τους παρακάτω: Clostridium, Lactobacillus, Mycobacterium, E. coli, μύκητες της αρτοβιομηχανίας.

   Δείξε την απάντηση

   • Clostridium: υποχρεωτικά αναερόβιο.
   • Lactobacillus: αναπτύσσεται σε pH 4–5.
   • Mycobacterium: υποχρεωτικά αερόβιο.
   • E. coli: άριστη θερμοκρασία 37 °C, χρόνος διπλασιασμού περίπου 20 λεπτά.
   • Μύκητες της αρτοβιομηχανίας: προαιρετικά αερόβιοι.

9. Να περιγράψετε πώς καλλιεργούνται οι μικροοργανισμοί σε στερεό θρεπτικό υλικό στο εργαστήριο.

   Δείξε την απάντηση

   Το θρεπτικό υλικό, που περιέχει άγαρ, και το τρυβλίο αποστειρώνονται. Διάλυμα με τα κύτταρα απλώνεται στην επιφάνεια του θρεπτικού υλικού (εμβολιασμός). Το τρυβλίο επωάζεται σε κλίβανο για 12 έως 76 ώρες.

   Κάθε κύτταρο διαιρείται επί τόπου και σχηματίζει μια αποικία, ορατή με γυμνό οφθαλμό.

10. Τι είναι το άγαρ; Ποια ιδιότητά του το κάνει κατάλληλο για την παρασκευή στερεών θρεπτικών υλικών;

    Δείξε την απάντηση

    Είναι πολυσακχαρίτης που προέρχεται από φύκη.

    Είναι ρευστό σε θερμοκρασίες πάνω από 45 °C και στερεοποιείται σε χαμηλότερες. Έτσι αναμειγνύεται ζεστό με το υγρό θρεπτικό υλικό και το στερεοποιεί καθώς κρυώνει.

11. Τι είναι ο εμβολιασμός και τι η αποστείρωση; Ποια από τις δύο διαδικασίες προηγείται και γιατί;

    Δείξε την απάντηση

    Εμβολιασμός είναι η τεχνητή προσθήκη μικροοργανισμών σε ένα νέο περιβάλλον. Αποστείρωση είναι η καταστροφή όλων των μικροοργανισμών που υπάρχουν στα θρεπτικά υλικά και στις συσκευές.

    Προηγείται η αποστείρωση, ώστε στο θρεπτικό υλικό να αναπτυχθεί μόνο ο μικροοργανισμός με τον οποίο θα εμβολιαστεί.

12. Να αναφέρετε με τη σειρά τα βήματα που ακολουθούνται για την παραγωγή ενός προϊόντος με βιομηχανική καλλιέργεια.

    Δείξε την απάντηση

    1. Αποστείρωση των υλικών.
    2. Επιλογή και απομόνωση του κατάλληλου μικροοργανισμού.
    3. Εμβολιασμός σε θρεπτικό υλικό (εργαστηριακή καλλιέργεια).
    4. Επώαση σε κλίβανο για 12 έως 76 ώρες.
    5. Αδρανοποίηση σε κατάψυξη, στους −80 °C.
    6. Εμβολιασμός στο υγρό θρεπτικό υλικό του βιοαντιδραστήρα και κλειστή ή συνεχής καλλιέργεια.
    7. Διαχωρισμός στερεών και υγρών συστατικών με διήθηση ή φυγοκέντρηση.
    8. Απομόνωση και καθαρισμός του προϊόντος.
    9. Συσκευασία, αποθήκευση και διανομή.

13. Τι εννοούμε σήμερα με τον όρο ζύμωση; Ποια είναι τα προϊόντα της;

    Δείξε την απάντηση

    Τη διαδικασία ανάπτυξης μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό, κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες.

    Προϊόντα της είναι τα ίδια τα κύτταρα (βιομάζα) και τα προϊόντα των κυττάρων, π.χ. πρωτεΐνες και αντιβιοτικά.

14. Τι είναι η βιομάζα;

    Δείξε την απάντηση

    Τα κύτταρα, π.χ. βακτήρια, που υπάρχουν μέσα στον βιοαντιδραστήρα.

15. Τι είναι η κλειστή καλλιέργεια; Ποιες φάσεις ανάπτυξης εμφανίζει και τι συμβαίνει σε καθεμία;

    Δείξε την απάντηση

    Είναι τύπος ζύμωσης κατά τον οποίο στον βιοαντιδραστήρα τοποθετείται ορισμένη ποσότητα αποστειρωμένου θρεπτικού υλικού, που εμβολιάζεται με αρχική καλλιέργεια μικροοργανισμών.

    • Λανθάνουσα: ο πληθυσμός μένει σχεδόν σταθερός, γιατί οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται.
    • Εκθετική: διαιρούνται με ταχύ ρυθμό.
    • Στατική: ο πληθυσμός δεν αυξάνεται, λόγω εξάντλησης θρεπτικού συστατικού ή συσσώρευσης τοξικών προϊόντων.
    • Θανάτου: ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται.

16. Τι είναι η συνεχής καλλιέργεια; Γιατί τα κύτταρά της παραμένουν διαρκώς σε εκθετική φάση;

    Δείξε την απάντηση

    Είναι τύπος ζύμωσης κατά τον οποίο οι μικροοργανισμοί τροφοδοτούνται συνεχώς με θρεπτικά συστατικά, ενώ ταυτόχρονα απομακρύνονται κύτταρα και άχρηστα προϊόντα.

    Επειδή τα θρεπτικά συστατικά δεν εξαντλούνται και τα τοξικά προϊόντα δεν συσσωρεύονται, δεν υπάρχει λόγος να σταματήσει η ανάπτυξη.

17. Να αναφέρετε τρεις διαφορές ανάμεσα στην κλειστή και στη συνεχή καλλιέργεια.

    Δείξε την απάντηση

    • Η κλειστή έχει τέσσερις φάσεις, η συνεχής μόνο λανθάνουσα και εκθετική.
    • Στην κλειστή δεν επεμβαίνουμε μετά τον εμβολιασμό, ενώ στη συνεχή προσθέτουμε συνεχώς θρεπτικό υλικό.
    • Στην κλειστή τα τοξικά προϊόντα δεν απομακρύνονται, ενώ στη συνεχή απομακρύνονται διαρκώς.

18. Ποια είναι η ομοιότητα και ποια η διαφορά ανάμεσα στη λανθάνουσα και στη στατική φάση;

    Δείξε την απάντηση

    Ομοιότητα: και στις δύο ο πληθυσμός παραμένει σχεδόν σταθερός.

    Διαφορά: στη λανθάνουσα οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στις νέες συνθήκες, ενώ στη στατική έχει εξαντληθεί κάποιο θρεπτικό συστατικό ή έχουν συσσωρευτεί τοξικά προϊόντα.

19. Τι είναι η τελική κατεργασία; Με ποιους τρόπους χωρίζονται τα στερεά από τα υγρά συστατικά του βιοαντιδραστήρα;

    Δείξε την απάντηση

    Είναι οι διαδικασίες με τις οποίες, μετά τη ζύμωση, το προϊόν διαχωρίζεται, απομονώνεται και καθαρίζεται.

    Τα στερεά χωρίζονται από τα υγρά συστατικά με διήθηση ή φυγοκέντρηση.

20. Σε ποιες φάσεις μιας κλειστής καλλιέργειας παράγονται συνήθως τα χρήσιμα προϊόντα;

    Δείξε την απάντηση

    Στην εκθετική και στη στατική φάση.

21. Γιατί οι μικροοργανισμοί διατηρούνται στους −80 °C πριν χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανική καλλιέργεια;

    Δείξε την απάντηση

    Στη θερμοκρασία αυτή αδρανοποιούνται και διατηρούνται αναλλοίωτοι για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι υπάρχει πάντα διαθέσιμη αρχική καλλιέργεια για τον εμβολιασμό του βιοαντιδραστήρα.

22. Τι είναι ο βιοαντιδραστήρας και ποιες συνθήκες ρυθμίζονται σε αυτόν;

    Δείξε την απάντηση

    Είναι συσκευή μέσα στην οποία γίνεται καλλιέργεια μικροοργανισμών σε μεγάλη κλίμακα.

    Ρυθμίζονται η θερμοκρασία, το pH και η συγκέντρωση του O₂.

4Ασκήσεις

Οι ασκήσεις 1 και 2 αφορούν καμπύλες ανάπτυξης, οι 3 και 4 υπολογισμούς με τον χρόνο διπλασιασμού και οι 5 έως 7 τη βιομηχανική και την εργαστηριακή καλλιέργεια.

1. Η καμπύλη δείχνει πώς μεταβάλλεται ο αριθμός των κυττάρων του βακτηρίου Escherichia coli σε μια κλειστή καλλιέργεια που γίνεται στους 37 °C.

   α) Πώς ονομάζεται καθεμία από τις φάσεις ΑΒ, ΒΓ και ΓΔ; Τι συμβαίνει στον πληθυσμό σε καθεμία και γιατί;

   β) Τη χρονική στιγμή που αντιστοιχεί στο σημείο Δ, μια βλάβη στο σύστημα ψύξης ανεβάζει για λίγο τη θερμοκρασία του βιοαντιδραστήρα στους 75 °C. Η βλάβη διορθώνεται γρήγορα και η θερμοκρασία επιστρέφει στους 37 °C. Να εξηγήσετε τη μορφή της καμπύλης στα τμήματα ΔΕ, ΕΖ, ΖΗ και ΗΘ.

   γ) Γιατί ο πληθυσμός στο τμήμα ΖΗ είναι μικρότερος από τον πληθυσμό στο τμήμα ΓΔ;

   δ) Θα μπορούσε η καμπύλη αυτή να αφορά συνεχή καλλιέργεια;

   Δείξε την απάντηση

   α) ΑΒ: λανθάνουσα φάση. Ο πληθυσμός παραμένει σχεδόν σταθερός, γιατί τα βακτήρια προσαρμόζονται στις νέες συνθήκες. ΒΓ: εκθετική φάση. Τα βακτήρια διαιρούνται με ταχύ ρυθμό, γιατί οι συνθήκες είναι άριστες και τα θρεπτικά συστατικά άφθονα. ΓΔ: στατική φάση. Ο πληθυσμός δεν αυξάνεται, γιατί έχει εξαντληθεί κάποιο θρεπτικό συστατικό ή έχουν συσσωρευτεί τοξικά προϊόντα.

   β) ΔΕ: οι 75 °C απέχουν πολύ από την άριστη θερμοκρασία της E. coli (37 °C), οπότε μεγάλο μέρος των κυττάρων πεθαίνει. ΕΖ: η θερμοκρασία έχει επανέλθει. Τα κύτταρα που επέζησαν είναι λίγα, οπότε τα θρεπτικά συστατικά που έχουν απομείνει επαρκούν γι’ αυτά και ο πληθυσμός αυξάνεται ξανά. ΖΗ: νέα στατική φάση. ΗΘ: φάση θανάτου.

   γ) Όταν ξεκινά η δεύτερη αύξηση, ένα μέρος των θρεπτικών συστατικών έχει ήδη καταναλωθεί και στο θρεπτικό υλικό υπάρχουν ήδη τοξικά προϊόντα. Το υλικό μπορεί επομένως να συντηρήσει μικρότερο πληθυσμό από ό,τι την πρώτη φορά.

   δ) Όχι. Στη συνεχή καλλιέργεια τα κύτταρα παραμένουν σε εκθετική φάση. Δεν εμφανίζονται στατική φάση και φάση θανάτου.

2. Σε αποστειρωμένο θάλαμο με θερμοκρασία 30 °C τοποθετούνται δύο φιάλες με υγρό θρεπτικό υλικό, από τις οποίες έχει αφαιρεθεί ο αέρας. Η πρώτη εμβολιάζεται με τον μικροοργανισμό Χ, που έχει άριστη θερμοκρασία ανάπτυξης τους 30 °C. Η δεύτερη εμβολιάζεται με τον μικροοργανισμό Ψ, που έχει άριστη θερμοκρασία ανάπτυξης τους 40 °C. Τη χρονική στιγμή t₁ τα πώματα των φιαλών αφαιρούνται και οι καλλιέργειες έρχονται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα.

   α) Πώς μεταβάλλεται ο πληθυσμός κάθε μικροοργανισμού πριν και μετά τη χρονική στιγμή t₁;

   β) Σε ποια κατηγορία ανήκει κάθε μικροοργανισμός ως προς την ανάγκη του για οξυγόνο;

   γ) Γιατί ο πληθυσμός του Ψ αυξάνεται με αργό ρυθμό πριν από τη χρονική στιγμή t₁;

   δ) Τη χρονική στιγμή t₂ η θερμοκρασία του θαλάμου ρυθμίζεται στους 40 °C, ενώ οι φιάλες μένουν ανοιχτές. Τι αναμένεται να συμβεί στον πληθυσμό του Χ και τι στον πληθυσμό του Ψ;

   Δείξε την απάντηση

   α) Πριν από τη στιγμή t₁ ο πληθυσμός του Ψ αυξάνεται αργά, ενώ ο Χ δεν αναπτύσσεται. Μετά τη στιγμή t₁ ο πληθυσμός του Ψ μειώνεται, ενώ του Χ αυξάνεται γρήγορα.

   β) Ο Χ είναι υποχρεωτικά αερόβιος: δεν αναπτύσσεται όσο λείπει το οξυγόνο και αρχίζει να αναπτύσσεται μόλις έρθει σε επαφή με τον αέρα. Ο Ψ είναι υποχρεωτικά αναερόβιος: αναπτύσσεται χωρίς οξυγόνο και ο πληθυσμός του μειώνεται μόλις εισέλθει αέρας, γιατί το οξυγόνο είναι τοξικό γι’ αυτόν.

   γ) Η θερμοκρασία του θαλάμου (30 °C) διαφέρει από την άριστη θερμοκρασία του Ψ (40 °C), άρα ο χρόνος διπλασιασμού του είναι μεγαλύτερος.

   δ) Ο Χ απομακρύνεται από την άριστη θερμοκρασία του, οπότε ο ρυθμός ανάπτυξής του αναμένεται να μειωθεί. Ο Ψ βρίσκεται πλέον στην άριστη θερμοκρασία του, όμως το οξυγόνο εξακολουθεί να υπάρχει και να είναι τοξικό γι’ αυτόν, άρα ο πληθυσμός του θα συνεχίσει να μειώνεται.

3. Μια καλλιέργεια E. coli βρίσκεται σε εκθετική φάση και περιέχει 1.500 κύτταρα. Ο χρόνος διπλασιασμού στις συνθήκες της καλλιέργειας είναι 20 λεπτά.

   α) Πόσα κύτταρα θα υπάρχουν μετά από 1 ώρα και 40 λεπτά;

   β) Σε πόσο χρόνο από την αρχή ο πληθυσμός θα φτάσει τα 96.000 κύτταρα;

   γ) Αν η καλλιέργεια είναι κλειστή, γιατί ο πληθυσμός δεν μπορεί να συνεχίσει να διπλασιάζεται επ’ αόριστον;

   Δείξε την απάντηση

   α) 1 ώρα και 40 λεπτά = 100 λεπτά, άρα n = 100 / 20 = 5 διπλασιασμοί. N = 1.500 × 2⁵ = 1.500 × 32 = 48.000 κύτταρα.

   β) 96.000 / 1.500 = 64 = 2⁶, άρα χρειάζονται 6 διπλασιασμοί, δηλαδή 6 × 20 = 120 λεπτά.

   γ) Στην κλειστή καλλιέργεια δεν προστίθενται νέα θρεπτικά συστατικά και δεν απομακρύνονται τα τοξικά προϊόντα. Κάποια στιγμή η καλλιέργεια περνά στη στατική φάση και μετά στη φάση θανάτου.

4. Ένα υγρό θρεπτικό υλικό εμβολιάζεται με 400 βακτήρια. Η λανθάνουσα φάση διαρκεί 40 λεπτά και στη συνέχεια τα βακτήρια διπλασιάζονται κάθε 25 λεπτά.

   α) Πόσα βακτήρια υπάρχουν 2 ώρες και 20 λεπτά μετά τον εμβολιασμό;

   β) Πόσα θα υπήρχαν την ίδια στιγμή, αν η θερμοκρασία δεν ήταν η άριστη και ο χρόνος διπλασιασμού ήταν 50 λεπτά;

   Δείξε την απάντηση

   α) 2 ώρες και 20 λεπτά = 140 λεπτά. Αφαιρούμε τη λανθάνουσα φάση: 140 − 40 = 100 λεπτά εκθετικής φάσης. n = 100 / 25 = 4 διπλασιασμοί. N = 400 × 2⁴ = 6.400 βακτήρια.

   β) n = 100 / 50 = 2 διπλασιασμοί. N = 400 × 2² = 1.600 βακτήρια.

5. Μια εταιρεία θέλει να παραγάγει δύο προϊόντα με τη βοήθεια μικροοργανισμών. Το προϊόν Π₁ είναι ένα αντιβιοτικό που συντίθεται κυρίως στη στατική φάση. Το προϊόν Π₂ είναι μια πρωτεΐνη που συντίθεται στην εκθετική φάση.

   α) Ποιον τύπο καλλιέργειας θα προτείνατε για κάθε προϊόν και γιατί;

   β) Το Π₂ εκκρίνεται από τα κύτταρα στο θρεπτικό υλικό. Σε ποια συστατικά του βιοαντιδραστήρα θα αναζητηθεί και πώς γίνεται ο διαχωρισμός τους;

   Δείξε την απάντηση

   α) Για το Π₁ κλειστή καλλιέργεια, γιατί μόνο σε αυτήν τα κύτταρα φτάνουν στη στατική φάση. Για το Π₂ συνεχή καλλιέργεια, γιατί εκεί τα κύτταρα παραμένουν διαρκώς σε εκθετική φάση.

   β) Στα υγρά συστατικά. Ο διαχωρισμός των στερεών από τα υγρά συστατικά γίνεται με διήθηση ή φυγοκέντρηση.

6. Τρεις βιοαντιδραστήρες λειτουργούν στους 37 °C. Στον βιοαντιδραστήρα 1 το pH είναι 7 και υπάρχει συνεχής παροχή αέρα. Στον βιοαντιδραστήρα 2 το pH είναι 7 και δεν υπάρχει οξυγόνο. Στον βιοαντιδραστήρα 3 το pH είναι 4,5 και δεν υπάρχει οξυγόνο. Σε καθέναν αναπτύσσεται ένας από τους μικροοργανισμούς Lactobacillus, Mycobacterium και Clostridium.

   α) Ποιος μικροοργανισμός αναπτύσσεται σε κάθε βιοαντιδραστήρα;

   β) Τι θα συμβεί στον πληθυσμό του βιοαντιδραστήρα 2, αν από διαρροή εισέλθει αέρας;

   Δείξε την απάντηση

   α) Βιοαντιδραστήρας 1: Mycobacterium, γιατί είναι υποχρεωτικά αερόβιο. Βιοαντιδραστήρας 2: Clostridium, γιατί είναι υποχρεωτικά αναερόβιο και το pH 7 βρίσκεται στα όρια 6–9. Βιοαντιδραστήρας 3: Lactobacillus, γιατί αναπτύσσεται σε pH 4–5.

   β) Ο πληθυσμός του Clostridium θα μειωθεί, γιατί το οξυγόνο είναι τοξικό γι’ αυτό.

7. Ποσότητα 0,1 mL από ένα αραιό διάλυμα βακτηρίων απλώνεται σε τρυβλίο Petri με θρεπτικό άγαρ. Μετά από επώαση 24 ωρών σε κλίβανο μετρώνται 85 αποικίες.

   α) Πόσα βακτήρια υπήρχαν στα 0,1 mL που απλώθηκαν; Πόσα αντιστοιχούν σε 1 mL του διαλύματος;

   β) Γιατί τα βακτήρια δεν ήταν ορατά αμέσως μετά το άπλωμα, ενώ οι αποικίες είναι;

   γ) Γιατί το θρεπτικό υλικό και το τρυβλίο πρέπει να έχουν αποστειρωθεί πριν από το πείραμα;

   Δείξε την απάντηση

   α) Κάθε αποικία προέρχεται από ένα αρχικό κύτταρο, άρα στα 0,1 mL υπήρχαν 85 βακτήρια. Σε 1 mL αντιστοιχούν 85 × 10 = 850 βακτήρια.

   β) Τα μεμονωμένα κύτταρα έχουν μικροσκοπικό μέγεθος. Κάθε αποικία αποτελείται από πολύ μεγάλο αριθμό κυττάρων, γι’ αυτό φαίνεται με γυμνό οφθαλμό.

   γ) Για να μην υπάρχουν άλλοι μικροοργανισμοί. Αν υπήρχαν, θα σχημάτιζαν και αυτοί αποικίες και η μέτρηση θα ήταν λανθασμένη.

5Διαγώνισμα αυτοαξιολόγησης

Σύνολο 40 μονάδες. Προτεινόμενος χρόνος: 45 λεπτά. Γράψε πρώτα τις απαντήσεις σου και μετά άνοιξε τις λύσεις για να βαθμολογηθείς.

1. 5 μονάδεςΝα χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ):

   1. Η πενικιλίνη παράγεται από μύκητα.
   2. Στην εκθετική φάση οι μικροοργανισμοί διαιρούνται με ταχύ ρυθμό.
   3. Το υγρό θρεπτικό υλικό περιέχει άγαρ.
   4. Η μελάσα χρησιμοποιείται ως πηγή αζώτου.
   5. Στη συνεχή καλλιέργεια απομακρύνονται διαρκώς νεκρά κύτταρα και άχρηστα προϊόντα.
   Δείξε την απάντηση

   i. Σ (Penicillium) · ii. Σ · iii. Λ, άγαρ περιέχει το στερεό · iv. Λ, είναι πηγή άνθρακα · v. Σ.

2. 4 μονάδεςΝα αντιστοιχίσετε κάθε μικροοργανισμό της στήλης Ι με ένα χαρακτηριστικό της στήλης ΙΙ. Ένα στοιχείο της στήλης ΙΙ περισσεύει.

   • 1. E. coli
   • 2. Lactobacillus
   • 3. Clostridium
   • 4. Mycobacterium

   • Α. Υποχρεωτικά αερόβιο
   • Β. Ανάπτυξη σε pH 4–5
   • Γ. Άριστη θερμοκρασία πάνω από 45 °C
   • Δ. Άριστη θερμοκρασία 37 °C
   • Ε. Υποχρεωτικά αναερόβιο
   Δείξε την απάντηση

   1 – Δ · 2 – Β · 3 – Ε · 4 – Α. Περισσεύει το Γ.

3. 6 μονάδεςΠοια θρεπτικά συστατικά περιέχει ένα θρεπτικό υλικό; Γιατί το θρεπτικό υλικό αποστειρώνεται πριν από τον εμβολιασμό;

   Δείξε την απάντηση

   Πηγή άνθρακα (CO₂ ή υδατάνθρακες), πηγή αζώτου (αμμωνιακά ή νιτρικά ιόντα), μεταλλικά ιόντα και νερό.

   Αποστειρώνεται για να καταστραφούν όλοι οι μικροοργανισμοί που περιέχει, ώστε να αναπτυχθεί μόνο εκείνος με τον οποίο θα εμβολιαστεί.

4. 6 μονάδεςΝα γράψετε τρεις διαφορές ανάμεσα στην κλειστή και στη συνεχή καλλιέργεια.

   Δείξε την απάντηση

   • Φάσεις: τέσσερις στην κλειστή, μόνο λανθάνουσα και εκθετική στη συνεχή.
   • Θρεπτικό υλικό: προστίθεται μία φορά στην κλειστή, συνεχώς στη συνεχή.
   • Τοξικά προϊόντα: δεν απομακρύνονται στην κλειστή, απομακρύνονται διαρκώς στη συνεχή.

   Δεκτή και η διαφορά στις φάσεις όπου παράγονται τα χρήσιμα προϊόντα.

5. 7 μονάδεςΈνα υγρό θρεπτικό υλικό εμβολιάζεται με 250 βακτήρια. Η λανθάνουσα φάση διαρκεί 1 ώρα και ο χρόνος διπλασιασμού στην εκθετική φάση είναι 30 λεπτά. Πόσα βακτήρια υπάρχουν 3 ώρες και 30 λεπτά μετά τον εμβολιασμό;

   Δείξε την απάντηση

   Συνολικός χρόνος 210 λεπτά. Εκθετική φάση: 210 − 60 = 150 λεπτά. n = 150 / 30 = 5 διπλασιασμοί.

   N = 250 × 2⁵ = 250 × 32 = 8.000 βακτήρια.

6. 12 μονάδεςΈνας μύκητας καλλιεργείται σε υγρό θρεπτικό υλικό χωρίς οξυγόνο και ο πληθυσμός του διπλασιάζεται κάθε 90 λεπτά. Όταν στην καλλιέργεια διοχετευθεί αέρας, ο χρόνος διπλασιασμού γίνεται 45 λεπτά.

   α) Σε ποια κατηγορία ανήκει ο μύκητας ως προς την ανάγκη του για οξυγόνο; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

   β) Αν ξεκινήσουμε με 1.000 κύτταρα σε εκθετική φάση, πόσα θα υπάρχουν μετά από 3 ώρες χωρίς οξυγόνο και πόσα μετά από 3 ώρες με οξυγόνο;

   γ) Τι θα συνέβαινε αν στη θέση του μύκητα υπήρχε βακτήριο του γένους Clostridium και διοχετευόταν αέρας;

   Δείξε την απάντηση

   α) Είναι προαιρετικά αερόβιος: αναπτύσσεται και χωρίς οξυγόνο, αλλά με ταχύτερο ρυθμό όταν υπάρχει.

   β) Χωρίς οξυγόνο: n = 180 / 90 = 2, άρα N = 1.000 × 2² = 4.000 κύτταρα. Με οξυγόνο: n = 180 / 45 = 4, άρα N = 1.000 × 2⁴ = 16.000 κύτταρα.

   γ) Ο πληθυσμός θα μειωνόταν, γιατί το Clostridium είναι υποχρεωτικά αναερόβιο και το οξυγόνο είναι τοξικό γι’ αυτό.