Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie: Band 21, Heft 8 1981 [Reprint 2021 ed.] 9783112477984, 9783112477977

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ZEITSCHRIFT FÜR ALLGEMEINE MIKROBIOLOGIE AN INTERNATIONAL JOURNAL ON MORPHOLOGY, PHYSIOLOGY, GENETICS, AND ECOLOGY OF MICROORGANISMS HEFT 8 1981 BAND 21

AKADEMIE-VERLAG • BERLIN EVP 20,—M

ISSN 0044*2208 84112

INHALTSVERZEICHNIS HEFT 8

Die Strukturelemente in den Lipopolysacchariden des Chemotyps IV von Pasteurella multocida Ertragskoeffizienten in Abhängigkeit von Milieudingungen und Zellzustand. II. Störungen während der kontinuierlichen Kultivierung von Lodderomyces elongisporus beim Wachstum auf Hydrocarbonen

W . ERLER, K . D . FLOSSMANN, H . F E I S T u n d B . JACOB

Mikrobielle Transformationen. XVIII. Mikrobiologische Transformation von 1-a-Santonin

M . I I D A , Y . HATORI, K . YAMAKAWA u n d H . IIZUKA 587

Einsatz der automatischen Bildanalyse beim Screening von leistungsfähigen Selektanten Turimycinbildender Sfrepfomt/ces-Stämme

P . MÜHLIG, CHRISTIANE FREYSOLDT, GERTRAUD BRADLER UND CH. K Ü H N E 5 9 1

Wirkung von Wurzelextrakten auf Wachstum und Nitrogenaseaktivität von Rhizobium japonieum

S. A . ODUNFA u n d D . WERNER

Wirkung von Natriummolybdat auf die mikrobielle Stickstoffbindung Verbreitung transferabler Trimethoprimresistenz- und Gentamicinresistenzplasmide in Enterobacteria-

S . RANGANAYAKI UND CHANDRA MOHAN 607

569

B . HEINRITZ, E . STICHEL, T . B L E Y , G . ROGGE UND F . GLOMBITZA 581

601

H . TSCHÄPE, MOMKA BRATOEVA, H . H E I E R , E . TIETZE, K . ZIESCHE UND H . RISCHE 611

623

Buchbesprechungen

CONTENTS

OF N U M B E R 8

Structure elements in the lipopolysaccharidcs of the chemotyp IV of Pasteurella multocida

W . ERLER, K . D . FLOSSMANN, F E I S T a n d B . JACOB

Yield coefficients in dependence on milieu conditions and cell states. II. Influence of perturbations on continuous cultivation of the yeast Lodderomyces elongisporus on hydrocarbons

B . HEINRITZ, E . STICHEL, T . B L E Y , G . ROGGE AND F . GLOMBITZA 581

Studies on microbial transformations. XVIII. Microbiological transformation of 1-a-santonin Growth measurements on surface colonies of turimycin-producing Streptomyces strain's by quantitative image analysis and correlation to antibiotic productivity

M . IIDA, Y . HATORI, K . YAMAKAWA a n d H . IIZUKA 587

Root exudates in relation to growth and nitrogenase activity of Rhisobium japonicum

S . A . ODUNEA a n d 1). W E R N E R

Effect of sodium molybdate on microbial fixation of nitrogen

S . RANGANAYAKI AND CHANDRA MOHAN 607

Distribution of transferable plasmids with resistance to trimethoprim and gentamicin inEnterobacteria-

H . TSCHÄPE, MOMKA BRATOEVA, H . H E I E R , E . TIETZE, K . ZIESCHE AND H . RISCHE 611

Book Reviews

H. 569

P . MÜHLIG, CHRISTIANE FREYSOLDT, GERTRAUD BRADLER AND CH. K Ü H NE 691 601

623

ISSN 0044-2208

ZEITSCHRIFT FÜR ALLGEMEINE MIKRO- BIOLOGIE A N I N T E R N A T I O N A L JOURNAL

ON

MORPHOLOGY, PHYSIOLOGY, GENETICS, A N D ECOLOGY OF MICROORGANISMS

H E R A U S G E G E B E N VON

F. Egami, Tokio G. F. Gause, Moskau 0 . Hoffmann-Ostenhof, Wien A. A. Imseneckii, Moskau R. W. Kaplan, Frankfurt/M. F. Mach, Greifswald 1. Malek, Prag C. Weibull, Lund

unter der Chefredaktion von W. Schwartz, Braunschweig und U. Taubeneck, Jena

UNTER M I T A R B E I T VON

J . H. Becking, Wageningen H. Böhme, Gatersleben M. Girbardt, Jena S. I. Kusnecov, Moskau 0 . Necas, Brno C. H. Oppenheimer, Port Aransas N. Pfennig, Göttingen I. L. Rabotnova, Moskau A. Schwartz, Wolfenbüttel

HEFT 8 • 1981 • BAND 21

REDAKTION

U. May, Jena

i\A W

A K A D E M I E - V E R L A G • BERLIN

Die Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie soll dazu beitragen, Forschung und internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Mikrobiologie zu fördern. Es werden Manuskripte aus allen Gebieten der allgemeinen Mikrobiologie veröffentlicht. Arbeiten über Themen aus der medizinischen, landwirtschaftlichen, technischen Mikrobiologie und aus der Taxonomie der Mikroorganismen werden ebenfalls aufgenommen, wenn sie Fragen von allgemeinem Interesse behandeln. Zur Veröffentlichung werden angenommen: Originalmanuskripte, die in anderen Zeitschriften noch nicht veröffentlicht worden sind und in gleicher Form auch nicht in anderen Zeitschriften erscheinen werden. Der Umfang soll höchstens l 1 / 2 Druckbogen (24 Druckseiten) betragen. Bei umfangreicheren Manuskripten müssen besondere Vereinbarungen mit der Schriftleitung und dem Verlag getroffen werden. Kurze Originalmitteilungen über wesentliche, neue Forschungsergebnisse. Umfang im allgemeinen höchstens 3 Druckseiten. Kurze Originalmitteilungen werden beschleunigt veröffentlicht. Kritische Sammelberichte und Buchbesprechungen nach Vereinbarung mit der Schriftleitung. Bezugsmöglichkeiten der Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie: Bestellungen sind zu richten — in der DDR an den Postzeitungsvertrieb, an eine Buchhandlung oder an den Akademie-Verlag, DDR-1086 Berlin, Leipziger Straße 3 - 4 — im sozialistischen Ausland an eine Buchhandlung für fremdsprachige Literatur oder an den zuständigen Postzeitungsvertrieb — in der BRD und Berlin (West) an eine Buchhandlung oder an die Auslieferungsstelle KUNST UND WISSEN, Erich Bieber OHG, D-7000 Stuttgart 1, Wilhelmstraße 4 - 6 — in den übrigen westeuropäischen Ländern an eine Buchhandlung oder an die Auslieferungsstelle KUNST UND WISSEN, Erich Bieber GmbH, CH-8008 Zürich/Schweiz, Dufourstraße 51 — im übrigen Ausland an den Internationalen Buch- und Zeitschriftenhandel; den Buchexport, Volkseigener Außenhandelsbetrieb der Deutschen Demokratischen Republik, DDR-7010 Leipzig, Postfach 160, oder an den Akademie-Verlag, DDR-1086 Berlin, Leipziger Straße 3—4. Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie Herausgeber: Im Auftrag des Verlages von einem internationalen Wissenschaftlerkollektiv herausgegeben. Verlag: Akademie-Verlag, DDR-1086 Berlin, Leipziger Straße 3 - 4 ; Fernruf : 2236229 oder2236221 Telex-Nr. : 114420; Bank: Staatsbank der DDR, Berlin, Kto-Nr.: 6836-26-20712. Chefredaktion: Prof. Dr. U D O T A T J B E K E C K Prof. Dr. W I L H E L M S C H W A B T Z Anschrift der Redaktion: Zentralinstitut für Mikrobiologie und experimentelle Therapie der Akademie der Wissenschaften, DDR-6900 Jena, Beutenbergstr. 11; Fernruf: Jena 885614; TelexNr. 058621. Veröffentlicht unter der Lizenznummer 1306 des Presseamtes beim Vorsitzenden des Ministerrates der Deutschen Demokratischen Republik. Gesamtherstellung: VEB Druckerei „Thomas Müntzer", DDR-5820 Bad Langensalza. Erscheinungsweise: Die Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie erscheint jährlich in einem Band mit 10 Heften. Bezugspreise je Band 250,—M zuzüglich Versandspesen (Preis für die DDR 200,-M). Preis je Heft 2 5 , - M (Preis für die DDR 2 0 , - M ) . Urheberrecht: Alle Rechte vorbehalten, insbesondere die der Übersetzung. Kein Teil dieser Zeitschrift darf in irgendeiner Form — durch Photokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren — ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert werden. — All rights reserved (including those of translations into foreign languages). No part of this issue may be reproduced in any form, by photoprint, microfilms or any other means, without written permission from the publishers. Erscheinungstermin: November 1981 Bestellnummer dieses Heftes 1070/21/8 ©1981 by Akademie-Verlag Berlin. Printed in the German Democratic Republic. AN (EDV) 75218

21

Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie

8

1981

569-579

(Institut für bakterielle Tierseuchenforschung Jena-Zwätzen der Akademie der Landwirtschaftswissenschaften der DDR, Direktor: OVR Prof. Dr. sc. TH. HUBBIG)

Die Strukturelemente in den Lipopolysacchariden des Chemotyps IV von Pasteurella multocida W . E R L E B , K . D . FLOSSMANN, H . F E I S T u n d B . J A C O B

(Eingegangen

am

10.12.1980)

The structure elements in the main fractions of oligosaccharides obtained after the acetic acid linked D-glycero-D-mannoheptose, 1,3-linked galactose were found as new constituents in LPS. The results are discussed for their genetic and serologic importance and the relationship to Yersinia.

In einer vorangegangenen Mitteilung ( E R L E B et al. 1981b) teilten wir die Strukturelemente in den nach Spaltung der Lipopolysaccharide (LPS) mit verdünnter Essigsäure erhaltenen Oligosaccharide der Pasteurella multocida-StÄmme PM und 1297 S mit. Wir fanden mit 1.2-, 1.3.4- und 1.3.4.6-gebundener L-Glycero-D-mannoheptose ungewöhnliche Bindungsarten dieser Hep tose in den Oligosacchariden. Wir führten die Untersuchungen an drei Stämmen des Chemotyps IV fort mit dem Ziel, auch im Oligosaccharidteil dieser Pasteurella multocida-Stämme die Strukturelemente zu identifizieren. Material

und

Methoden

Die Pasteurella multocida-Stämme 383 und 1297K wurden in der Abteilung Mikrobiologie unseres Instituts aus an Enzootischer Pneumonie erkrankten Kälbern isoliert, der Stamm NCTC 10326 ist der Stammsammlung des Central Public Health Laboratory, London, entnommen. Nach vorangegangenen Untersuchungen (ERLER et al. 1977) gehören alle drei Stämme dem Chemotyp IV der Lipopolysaccharide an mit Glucose (Glc), Galaktose (Gal), Glucosamin (GlcN) und der L- bzw. D-Glycero-D-mannoheptose (L-Hep, D-Hep). Die Verfahren zur Isolierung, Reinigung und Spaltung der Lipopolysaccharide und die chemisch-analytischen Methoden wurden bereits mitgeteilt (ERLER et al. 1981).

Ergebnisse S p a l t u n g der L P S mit v e r d ü n n t e r E s s i g s ä u r e Die Elutionsprofile der Oligosaccharide der drei Stämme an Sephadex G 50 nach Spaltung der LPS mit Essigsäure gleichen völlig dem des Stammes 1297 S ( E R L E R et al. 1981b). Damit wird der R-Charakter der LPS aus Pasteurella multocida weiter untermauert. Bei der Rechromatographie an Sephadex G 25 verhielten sich die Hauptfraktionen der Stämme 1297 K und 383 einheitlich, während beim Stamm NCTC 10326 diese Fraktion in drei Unterfraktionen ( I I l l i - 3 ) aufgespalten werden konnten. Die Ausbeuten verhielten sich dabei wie ca. 4 : 2 : 1 , so daß die Fraktion I I I / ! beim Stamm NCTC 10326 als Hauptfraktion weiter bearbeitet wurde. C h a r a k t e r i s i e r u n g der N e b e n f r a k t i o n e n In allen Fraktionen I der drei Stämme konnten ähnlich der Fraktion I bei den Stämmen PM und 1297 S Mannose neben geringen Mengen Glucose gaschromato37*

570

W. ERLER, K. D. FLOSSMANÌT, H. FEIST und B. JACOB

graphisch identifiziert werden. Auch bei den Fraktionen I I ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei den Stämmen PM und 1297 S (s. Tab. 1); nämlich eine Konzentration der Aminozucker und der Gal. Die analytischen Daten der weiteren Nebenfraktionen enthält Tabelle 2. Tabelle 1 Analytische Daten der Fraktion I I Stamm 10326 1297K 383

GAZ1)

Glc

/o

/o

/o

82 82 62

22,0 36,8 22,2

6,4 3,5 2,9

RKH 1 )

Gaschromatographie Gal, Glc (L-Hep, D-Hep) Gal, Glc (Man, L-Hep, D-Hep) Gal, Glc (L-Hep, D-Hep)

R K H = reduzierende Kohlenhydrate bezogen auf Glc GAZ = Gesamtaminozucker bezogen auf GlcN Tabelle 2 Analytische Daten weiterer Nebenfraktionen Stamm Fraktion NCTC 10326 III/2 NCTC 10326 III/3 I297K IV 383 IV

RKH /o

GAZ /o

Glc /o

KDO 1 )

39,5

0,7

11,4

2,7

4 6 8

0,1 0,5

0,7 0,7

11,4 19,6 16,1

—

—

%

Gaschromatographie

Glc, L-Hep (Gal, D-Hep) (Glc) (Glc) keine Neutralzucker

*) KDO = 2-Keto-3-desoxyoctonsäure

Die Fraktionen I V der Stämme 1297 K und 383 und die Fraktion I I I / 3 des Stammes NCTC 10326 zeigen das bekannte Verhalten des Vorkommens der Ketodesoxyoctonsäure. Die Fraktion I I I / 2 des Stammes NCTC 10326 weicht dagegen sehr ab. I m Vergleich zur Hauptfraktion geht deutlich der Gal-Gehalt und der Gehalt der zweiten Heptose zurück. Dies verdeutlicht die bereits früher diskutierte Uneinheitlichkeit der L P S aus Pasteurella multocida. C h a r a k t e r i s i e r u n g der H a u p t f r a k t i o n e n Entsprechend der Ergebnisse der Essigsäurespaltung der L P S und der Gelfiltration des vom Lipid A getrennten Oligosaccharidteiles an Sephadex G 50 bzw. G 25 zählen zu diesen Hauptfraktionen die Fraktionen I I I der Stämme 1297 K und 383 und die Fraktion I I I ^ des Stammes NCTC 10326. Die Daten der allgemein-analytischen Untersuchungen enthält Tabelle 3. Wir prüften die Fraktionen zusätzlich auf das Vorkommen von weiteren Ninhydrinpositiven Verbindungen am Aminosäureanalysator, gaschromatographisch auf das Vorkommen von Ribit und Glycerin, auf Bernsteinsäure, Brenztraubensäure und Uronsäure, die als Bestandteile mancher L P S beschrieben wurden. Alle diese Prüfungen verliefen negativ. Weiteren Einblick in den strukturellen Aufbau dieser Fraktionen sollte die Analyse der permethylierten Verbindungen ergeben, wobei wir die Methode nach BJÖRNDAL und LINDBEKG (BJÖRNDAL et al. 1967, 1970), LÖNNGREN U. SVENNSON 1974) benutzten.

Strukturelemente in P. rottZtocirfa-Lipopolysacchariden

571

Tabelle 3 Analytische Daten der Hauptfraktionen Stamm 1 RKH % 2 GAZ % 3 Glc % 4 Gal % 5 L-Hep % 6 D-Hep % 7 Summe 2—6 8 Acetyl % 9 Acetyl aus GAZ % 10 P % 11 Molgewicht

NCTC 10326 67 7,7 18,4 8,8 25,8 8,7 69,4 3,0 1,9 0,3 1700

.383 66 7,8 12,1 12,8 24,0 5,8 62,5 2,5 1,9 0,3 2000

1297K 63 7,1 12,9 14,1 21,9 6,4 62,4 2,2 1,7 0,4 2000

Fraktion I I I / j des Stammes NCTC 10326 I n dieser Fraktion bestimmten wir 0,3% Phosphor (Tab. 3), weshalb wir auf eine Behandlung mit Flußsäure verzichteten. Ein Chromatogramm der partiell methylierten Alditolacetate zeigt Abbildung 1; die Auswertung ist in Tabelle 4 niedergelegt. Die endständig gebundenen Hexosen und L-Hep, die 1.4- oder 1.6-gebundene Glc u n d die stark verzweigte Heptose (1.3.4.6-L-Hep) konnten wir bereits in Polysacchariden der Stämme PM bzw. 1 2 9 7 S identifizieren (ERLER et al. 1 9 8 1 B ) . An neuen Peaks tauchen im Chromatogramm Gipfel bei R M C I G I C = 3,2; 3,4 und 4,3 auf, wobei der bei Rjie.Gic = 3,2 als 1.2.5-Tri-0-acetyl-3.4.6.7-tetra-0-methyl-heptitol identifiziert wurde. Die Massenspektren entsprechen denen der 1.2-gebundenen L-Hep in den Oligosacchariden der Stämme PM und 1297 S. Auf Grund des unterschiedlichen Retentionswertes und des Vorkommens der D-Glycero-D-mannoheptose identifizierten wir diesen Peak als entsprechendes Derivat der D-Hep. Gestützt wird diese Aussage durch die Ergebnisse von R A D Z I E J E W S K A - L E B R E C H T et al. (1979). Den Gipfel bei RMe.Gic = 3,4 konnten wir nicht identifizieren. Die Massenspektren waren völlig vom

Glc

Abb. 1. Gaschromatogramm der partiell methylierten Alditolacetate der Fraktion III/! des Stammes NCTC 10326

572

W . E R L E B , K . D . FLOSSMANN, H . F E I S T u n d B . JACOB

Tabelle 4 Partiell methylierte Alditolacetate der Fraktion 10326 I I I / l Nr.

RT

0/ /o

Primärfragmente 1 )

1

1,0

16

2 3

1,23 2,14

12 17

4

2,5

14

5

3,2

18

6 7

3,4 4,3

7 7

H : 45, 117, 161, 205 D : 45, 118, 161, 162, 205, 206 .wie Peak 1 H : 45, 89, 117, 161, 205, 249, 321 D : 45, 89, 118, 162, 205, 206, 249 H : 45, 117, 161, 189, 205, 233 D : 45, 118, 162, 189, 206, 233 H : 45, 89, 189, 205, 233, 249 D: 45, 89, 190, 205, 234, 249

8

9,9

7

H: D: H: D:

45, 45, 45, 45,

117, 118. 117, 118,

161, 205, 233, 277 162, 206, 233, 277 377 377

Alditolacetat 2.3.4.6 Me3Glc 2.3.4.6 Me4Gal 2.3.4.6.7 Me5L-Hep 2.3.6 Me3Glc und 2.3.4 Me3Glc 3.4.6.7. Me 4 D-Hep nicht identifiziert 2.3.4.7 Me4L-Hep 2.7 Me2L-Hep

*) H : nach Reduktion mit NaBH 4 D: nach Reduktion mit NaBD 4

vorherigen Peak überlagert. Wir vertreten die Meinung, daß es sich um ein Derivat der L-Hep handelt. Der Peak bei R M e , G i c = 4,3 ist nicht identisch mit den Gipfeln bei RM^GIC = 4,1 bzw. 4,2 von den Fraktionen 1297 S I I I bzw. PM IV, wie die Massenspektren zeigen. Auf Grund dieser identifizierten wir diese Substanz als 1.5.6-Tri-0-acetyl-2.3.4.7tetra-O-methyl-heptitol und damit als entsprechendes Derivat der L-Hep (2.3.4.7ME 4 L-Hep). Summiert man die bestimmten Monosaccharide und vergleicht die Summe mit den auf Relativprozente umgerechneten Werten der Totalhydrolyse (Tab. 3), so ergeben sich die in Tabelle 5 aufgeführten Werte, die Übereinstimmung anzeigen. Tabelle 5 Vergleich der analytischen Daten (Relativprozent) Methylierung

Totalhydrolyse

Glc Gal L-Hep D-Hep

10326 I I I / l

1297K I I I

383 I I I

10326 I I I / l

1297K I I I

383 I I I

29,8 14,3 41,8 14,1

23,3 25,5 39,6 11,6

22,1 23,4 43,8 10,6

30 12 38 18

24 21 41 14

23 25 39 13

Fraktionen I I I der Stämme 383 und 1297 K Wie bereits aus Tabelle 3 ersichtlich, sind die Hauptfraktionen der Stämme 1297 K und 383 nahezu identisch. Auch die Methylierungsanalysen zeigten diese große Ähnlichkeit, so daß sie hier gemeinsam besprochen werden sollen. Ein Gaschromatogramm der partiell methylierten Alditolacetate zeigt Abbildung 2, die analytischen Ergebnisse faßt Tabelle 6 zusammen. Qualitativ unterscheiden sich beide Stämme nicht; die quantitativen Unterschiede zeigen Differenzen, die wir auch bei individuellen Methylierungsansätzen erhielten. Die Peaks Nr. 1, 2, 5, 6, 8 und 9 waren anhand der Massenspektren leicht zu identifizieren. Beim Peak Nr. 3 ergab das Massenspektrum eindeutig das Vorliegen einer Mischung. Das Vorkommen eines weiteren hohen Galaktose-Anteils in diesen Fraktionen machte es wahrscheinlich, daß die mit der endständigen Heptose zusammen-

573

Strukturelemente in P . mwifocida-Lipopolysacchariden

Me4 e/c

R

Abb. 2. Gaschromatogramm der partiell methylierten Alditolaoetate der Fraktionen I I I derStämme 1297K bzw. 383 Tabelle 6 Partiell methylierte Alditolaoetate der Fraktionen 1297K I I I und 383 I I I 1297K. I I I

383 I I I /o

Nr.

RT

2

1

1,0 1,23

12 12

13 14

3

2,3

24 (15)

23 (12)

(9)

(11)

%

4 5

2,48

12

10

6 7 8

3,18 3,42 4,19

14 7 12

13 6 14

9

10,0

7

7

Primärfragmente wie Peak 1 10326 I I I / l wie Peak 1 10326 I I I / l 206, 234, 249 H : 45, 89, 117, 161, 205, 233, 249, 277 D : 45, 89, 118, 161, 162, 205, 206, 234, 249 wie Peak 4 10326 I I I / l wie Peak 5 10326 I I I / l H : 45, 89, 189, 205, 233, 249, 349 D: 45, 89,190, 205, 234, 249 wie Peak 8 10326 I I I / l

Alditolacetat 2.3.4.6 Me4Glc 2.3.4.6 Me4Gal 2.3.4.6.7 Me5D-Hep 2.4.6. Me3Gal 2.3.6 Me3Glc 2.3.4 Me3Glc 3.4.6.7 Me4D-Hep nicht identifiziert 3.4.6.7 Me4L-Hep 2.7 Me2L-Hep

fallende Substanz ein Galaktose-Derivat ist. Nach Retentionszeiten aus der Literatur (BJÖRNDAL et dl. 1 9 7 0 ) k o m m e n d a f ü r die A l d i t o l a o e t a t e der 2 . 4 . 6 - M e 3 G a l (RMe.GIC =

2,28) und der 2.5.6-Me 3 Gal in Frage. Die Deutung der Massenzahl 233 bzw. 234 in den Spektren schließt die furanosid-gebundene Gal aus. Zur weiteren Stützung dieser Aussage wurden in einer Probe vom Beginn bis zum Maximum des Gipfels drei Spektren aufgenommen und die Primärfragmente in der Intensität verglichen. Die Ergebnisse zeigen (Abb. 3), daß die Primärfragmente 89, 205 und 249 nur aus der L-Hep stammen, die Fragmente 45, 117 und 161 in beiden Substanzen vorkommen und die Fragmente 233 und 277, letzteres erhielten wir nur am Maximum, nur aus der zu identifizierenden Verbindung kommen, so daß dies mit den Primärfragmenten bei 45, 117, 161, 233 und 277 charakterisiert und damit als das Alditolacetat der 2.4.6-Me 3 Gal zu identifizieren ist. Die erhaltenen Primärfragmente der deuterierten Verbindung bestätigen diesen Befund.

574

W. E r l e b , K. D. Flossmanít, H. F e i s t und B. Jacob 1000

233 -

j

/

800

-

600

-

400 .161 c

-

777

20S 89 249

200

-

0

1

2 Spektren

3

Abb. 3. Relative Intensitäten einiger Primärfragmente zur Identifizierung der Peaks 3 und 4 der Stämme 1297K und 383

Leider führte auch diese Methode beim P e a k Nr. 7 nicht zum Erfolg. Die Massenspektren waren auch in diesem Falle — wie beim Peak Nr. 6 des Stammes NCTC 10326 — total von den Fragmenten des Alditolacetates der 3.4.6.7-Me 4 D-Hep überlagert. Werden die erhaltenen Werte analog der vorangegangenen Fraktion aufsummiert, so ergibt sich, wie in Tabelle 5 aufgeführt, gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Totalhydrolyse. Die Bindung des Glucosamin I n den Fraktionen bestimmten wir 7 , 1 — 7 , 8 % Gesamtaminozucker (Tab. 3), die sich qualitativ ausschließlich auf GlcN beziehen. Zur Bestimmung der Bindungsart des GlcN gingen wir wie bereits beschrieben vor ( E b l e r et al. 1981b) und ermittelten, daß in allen drei Fraktionen das GlcN als 1.4gebundenes N-Acetylglucosamin vorliegt. Ergebnisse der Perjodatoxidation Wir identifizierten in allen Fraktionen die 1.3.4.6-gebundene L-Hep, die Perjodatresistent ist. Nach der Perjodatoxidation müßte demzufolge in den Hydrolysaten aller Oligosaccharide ein äquivalenter Teil L-Hep zu finden sein. I n den Fraktionen der Stämme 1297 K und 383 identifizierten wir die 1.3-gebundene Galaktose. Auch diese Verbindung ist resistent gegenüber Perjodat, so daß ein ent-

Strukturelemente in P. mttZ/ocirfa-Lipopolysacchariden

575

sprechender Teil Gal im Hydrolysat der mit Perjodat oxidierten Oligosaccharide nachzuweisen sein müßte. Die in Tabelle 7 niedergelegten Ergebnisse weisen deutlich nach, daß in der Fraktion I l l / i des Stammes NCTC 10326 und in den Fraktionen I I I der Stämme 1297 K und 383 die entsprechend der Methylierungsanalyse gefundenen Mengen 1.3.4.6gebundener L-Hep nach der Perjodatoxidation und Totalhydrolyse gleiche Mengen L-Hep gefunden wurden. Gleiches gilt für die Gal in den Fraktionen der Stämme 1297 K und 383. Tabelle 7 Ermittelter Gehalt (%) an Man und L-Hep (bezogen auf Gesamt-L-Hep) und Gal (bezogen auf Gesamt-Gal) nach Perjodatoxidation im Vergleich zu errechneten Werten aus der Methylieruag Aus Perjodatoxidation

Man L-Hep Gal

10326

383

22

20 43

1297K 21 44

Aus Methylierungsanalyse Man L-Hep Gal

18

18 44

17 43

Diskussion Durch das Elutionsprofil der Oligosaccharide der L P S an Sephadex nach der Essigsäurespaltung, die ermittelten Molgewichte der Hauptfraktionen und den hohen Heptoseanteil (Tab. 3) läßt sich die früher getroffene Aussage (ERLER et al. 1981) erhärten, daß die L P S von Pasteurella multocida R - L P S sind. Auch hinsichtlich der analytischen Daten der Nebenfraktionen der Oligosaccharidtrennung werden die an den Stämmen PM und 1297 S erhaltenen Ergebnisse gestützt. Fraktion I enthält merkliche Mengen des beschriebenen Mannans (ERLER et al. 1981a) und Fraktion I I ein weiteres Polysaccharid mit Gal und Aminozuckern. Diese Daten beweisen, daß weitere Polysaccharide in der Zellwand von Pasteurella multocida gebunden sind, die entweder nur in geringer Menge vorliegen oder aber mit Phenol nicht genügend abgelöst werden. Die Abspaltung eines weiteren, der Zusammensetzung der Hauptfraktionen ähnlichen Oligosaccharides beim Stamm NCTC 10326 (Fraktion III/ 2 ) unterstreicht die ebenfalls früher dargelegte Behauptung, daß die L P S aus P. multocida uneinheitlich sind. Das Vorkommen der Monosaccharide in den Hauptfraktionen entspricht der Zugehörigkeit zum Chemotyp I V (ERLER et al. 1977). Bei der Betrachtung der ermittelten Mengen läßt sich erkennen, daß bei allen Stämmen auf 3 Mol L-Hep 1,5—2 Mol Glc, 1 Mol GlcN und 1 Mol D-Hep gebunden sind. Hinsichtlich der Gal ergeben sich zwei Varianten. Beim Stamm NCTC 10326 ist ein Mol Gal, bei den Stämmen 1297 K und 383 ca. 2 Mol Gal im Oligosaccharid verankert. Damit ist gegebenenfalls eine Untergliederung des Chemotyps I V auf Grund der gebundenen Menge Gal möglich. Bei der nochmaligen Betrachtung unter dem besonderen Aspekt des Glc-GalVerhältnisses der zum Chemotyp I V gehörenden L P S (ERLER et al. 1977) ergibt sich tatsächlich das Bild, daß von den insgesamt aufgeführten 16 Stämmen bei 10 Stämmen (NCTC 10203, R 473, B 850, 5484, 5770, 5767, 383, 391, 1471, 1297 K ) das GlcGal-Verhältnis in den L P S nahe 1 : 1 , bei 4 Stämmen (NCTC 10323, NCTC 10326, BTJNIA I I , E 11) dieses Verhältnis nahe 2 : 1 liegt. 2 Stämme (1362, 1651) folgen nicht

576

W . E R L E R , K . D . FLOSSMANN, H . F E I S T u n d B . J A C O B

diesem Kriterium. Das Glc-Gal-Verhältnis liegt hier bei 3 : 1 bzw. 1 : 2 . Von einigen der aufgeführten Stämme führten wir die Essigsäure-Spaltung durch. Das in den Hauptfraktionen ermittelte Glc-Gal-Verhältnis ergab, daß bei den Stämmen R 473, 5484, B 850 und 1471 im L P S und in den Hauptfraktionen das Verhältnis 1 : 1 beträgt. Beim Stamm E 11 liegt das Verhältnis im L P S und in der Hauptfraktion bei 2 : 1 . Bei den Stämmen 1651 und 5770 verschiebt sich dieses Glc-Gal-Verhältnis. Während im L P S des Stammes 1651 das Verhältnis nahe 1 : 2 und im Stamm 5770 nahe 1 : 1 liegt, wurde in der Hauptfraktion nach der Essigsäure-Spaltung dieses Verhältnis beim Stamm 1651 zu 1 : 1 und beim Stamm 5770 zu 2 : 1 bestimmt. Dies unterstreicht die bereits getroffene Feststellung, daß in den Pasteurellen ein Galaktose enthaltendes Polysaccharid vorkommt, das nach der Essigsäure-Spaltung vom core-Polysaccharid abgetrennt werden kann. Hinsichtlich des Glc-Gal-Verhältnisses ist also eine Unterteilung des Chemotyps I V möglich. Sie berührt aber nicht die serologische Differenzierung. Weiter muß festgestellt werden, daß die im L P S bestimmten Verhältnisse der Monosaccharide keine Aussagen zulassen über die tatsächlichen Verhältnisse im corePolysaccharid. Das trifft zu auf die gebundene Menge an GlcN, Man, Gal und Glc. Die mit Hilfe der Methylierungsanalyse ermittelten Strukturelemente in den Fraktionen der drei Stämme sind in Tabelle 8 zusammengestellt. Zum Vergleich sind auch die molaren Verhältnisse der Bindungselemente in den Fraktionen der Stämme P M und 1297 S (ERLEB et al. 1 9 8 1 B ) mit angegeben.

Tabelle 8 Bindungselemente und gerundete molare Verhältnisse in den Oligosacchariden Nr. I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII.

Element Glc 1-

L-Hep 1-2 L-Hep 1-3.4 L-Hep 1-

-3.4.6 L-Hep 1Gall-4 bzw. -6 Glc 1-4 NAcGleN 1-6 L-Hep 1-

unident.

-2 D-Hep 1-

-3 Gal 1-

PM

1297S

10326

1297K

383

1,5 1,0 0,9 0,3 0,3

0,6 1,0 1,0 0,3 0,4 0,9 1,0 0,5

0,7 1,0

0,8 1,0 0,8

1,1 1,0 1,2

— —

0,4 0,9 0,8 1,0 0,4 0,4 1,1

—

—

0,5 0,8 0,8 1,0

0,6 1,2 0,8 1,0

0,5 0,9 0,6

0,5 1,1 0,9

Das Vorkommen der in den Oligosacchariden der Stämme PM und 1297 S gefundenen Bindungsarten der Monosaccharide wurde bereits diskutiert (ERLER et al. 1981b). An neuen Elementen kommen hinzu die 1.6-gebundene L-Hep beim Stamm NCTC 10326, eine nicht identifizierte Heptose und die 1.2-gebundene D-Hep bei allen drei Stämmen und die 1.3-gebundene Gal bei den Stämmen 1297 K und 383. Nicht gefunden wurde dagegen die 1.2-gebundene L-Hep beim Stamm NCTC 10326 und die einfach verzweigte Heptose, die 1.3.4-gebundene L-Hep bei allen drei Stämmen. 1.6-gebundene Heptose wurde in den core-Polysacchariden bisher in bakteriellen L P S noch nicht identifiziert, ebenso nicht die 1.2-gebundene D-Hep. Diese beiden Heptosen konnten in L P S von P. mvltocida anhand der Massenspektren identifiziert werden; bei der 1.2-gebundenen D-Hep bevorzugt am aufsteigenden Teil des Gipfels. Die von uns gefundenen Retentionszeiten und Massenspektren sind identisch mit den von R A D Z I E J E W S K A - L E B E E C H T et al. (1979) angegebenen.

Strukturelemente in P. mitifocitfa-Lipopolysacchariden

577

In den Oligosacchariden der Stämme 1297 K und 383 kommt als weiteres Bindungselement die 1.3-gebundene Galaktose vor, die als solche „Ketten-Galaktose" bisher in core-Polysacchariden ebenfalls noch nicht identifiziert wurde. Die Perjodatoxidation bestätigt dieses Ergebnis. Ebenfalls durch die Perjodatoxidation untermauert wird das Fehlen der 1.3.4-gebundenen L-Hep. Im Hydrolysat der perjodatoxidierten Oligosaccharide konnten wir keine Mannose nachweisen. Auf Grund des Vorkommens von ca. 0,5 Mol bestimmter Bindungselemente in den Polysacchariden nehmen wir an, daß es sich um Mischungen von Polysacchariden handeln muß. Einen Strukturvorschlag zu erstellen, ist schon auf Grund der nicht identifizierten Heptose unmöglich, so daß wir auf jeglichen Versuch, eine Struktur hier wiederzugeben, verzichten. Die mitgeteilten Ergebnisse sollten an weiteren Stämmen bzw. Mutanten überprüft werden. In zwei Veröffentlichungen legten MAYER (1972) und MAYER et al. (1975) die Möglichkeit dar, komplette R-Basaltypen der Enterobacteriaceae bzw. verschiedene S R und R-Mutanten mit Concanavalin A zu differenzieren. In analoger Weise versuchten wir, die Hauptfraktionen der Essigsäure-Spaltung, die Original-LPS, die mit verdünnter Natronlauge bzw. die mit Flußsäure behandelten L P S im Agargel mit Concanavalin A zu präzipitieren, da, wie die Methylierungsanalysen erwiesen, in den L P S Glucose endständig gebunden ist. Mit keinem der erwähnten Präparate der fünf Stämme trat Reaktion ein. Für uns ist dies ein Hinweis, daß die endständig-gebundene Glucose /3-glykosidisch gebunden ist, es sei denn, daß, wie im Fall der negativen Reaktion bei ÄaZmoneZZa-SR-Mutanten, eine sterische Hinderung vorliegt. Bei P. multocida scheint ein Defekt im rfa-Gen vorzuliegen, der bei den Stämmen unterschiedlich stark ausgebildet ist, so daß P. multocida nur unvollständige Basalpolysaccharide aufbauen kann. Eine direkte Linie scheint vom Stamm PM über 1297 S zu 1297 K bzw. 383 zu verlaufen. PM, unser zunächst einfachster Stamm, enthält im Polysaccharid endständige Glucose und L-Hep, 1.2-, 1.3.4- und 1.3.4.6gebundene L-Hep, das Polysaccharid des Stammes 1297 S zusätzlich endständige Gal, 1.4- bzw. 1.6-gebundene Glc und das 1.4-gebundene N-Acetylglucosamin. Zwischen diesen beiden Stämmen müßten Mutanten liegen, die nur eine oder zwei dieser zusätzlichen Elemente gebunden haben. Die Polysaccharide von 1297 S und 1297 K bzw. 383 unterscheiden sich dadurch, daß letztere zusätzlich die 1.2-gebundene D-Hep die 1.3-gebundene Gal und—eventuell statt der 1.3.4-gebundenen L-Hep— die unidentifizierte Komponente enthalten. Auch zwischen diesen Stämmen müßten entsprechende Mutanten zu suchen sein. Wegen der 1.6-gebundenen L-Hep scheint der Stamm NCTC 10326 einer anderen ,,Linie" anzugehören. Besondere Aufmerksamkeit sollten noch folgende Aspekte finden. In den Oligosacchariden der Stämme NCTC 10326, 1297 K und 383 haben wir die 1.2-gebundene D-Hep nachgewiesen. LEHMANN et dl. (1973) beschrieben 1.3- und endständig gebundene D-Hep in Mutanten von Salmonella typhimurium (Rjie.Gic = 3 , 3 bzw. 1 , 6 ) . Endständig gebundene D-Hep mit jie.Gio = 1>6 ist in unseren Polysacchariden allenfalls in Spuren enthalten. Nach LEHMANN et al. (1973) und WECKESSER et al. (1977) kommt es zum Einbau der D-Hep in die Polysaccharide durch den Verlust einer NDPD-Glycero-D-mannoheptose-6-isomerase, die die aktivierte D-Hep in entsprechende L-Hep überführt, welche dann in das core-Polysaccharid eingebaut wird. Durch den Verlust oder eine geringe Aktivität des Fermentes wird der biosynthetische Vorläufer der L-Hep, die D-Hep, eingebaut, und es kommt zur Ausbildung unvollständiger core-Polysaccharide. Bei P. multocida scheinen die Verhältnisse anders zu liegen. Die Unterschiede in den Strukturelementen der Oligosaccharide der L P S aus Pasteurella multocida sollten sich serologisch manifestieren. Während unserer Ar-

578

W . ERLER, K . D . FLOSSMANN, H . F E I S T u n d B . JACOB

beiten veröffentlichten B R O G D E N U . R E B E R S (1978) ein neues serologisches Differenzierungsverfahren auf der Grundlage der Präzipitation von dialysierten, ungereinigten Phenol-Wasser-Extrakten der mit NaCl-Lösung vorextrahierten Bakterien. Die Autoren postulieren 16 Serotypen, von denen nur zwei eine Kreuzreaktion zeigen. Vom Standpunkt der Zusammensetzung und Struktur der L P S wäre eine Analyse der Typenstämme wünschenswert. Vergleicht m a n unsere Ergebnisse an den Lipopolysacchariden insbesondere mit den Ergebnissen an Yersinia (siehe z.B. bei S E L T M A N N etal. 1974, T O M S H I C H et al. 1976, B E E R U . S E L T M A N S 1974, B Ü R D E T et al. 1977), so k a n n festgestellt werden, daß die L P S von P. multocida denen von Yersinia sehr ähneln. Dies bezieht sich auf: — das Vorkommen beider Heptosen in den LPS. Bei Y. pseudotuberculosis, Y. enterocolitica und Y. pestis, und auch in P. multocida sind L-Hep und D-Hep vielfach in den core-Polysacchariden gebunden, — den R-Charakter der LPS. Bei Y. pestis sind eindeutige S-LPS noch nicht beschrieben. Wie bei P. multocida sind auch bei Y. pestis bislang nur Oligosaccharide im L P S gefunden worden, die unvollständigen cores entsprechen, — auf das Vorkommen von Bindungselementen in den core-Polysacchariden. Bei dem untersuchten Stamm von F . pestis wurden ähnlich unserer Ergebnisse an Pasteurellen vier verschieden gebundene Heptosen gefunden. I n core-Polysacchariden anderer Enterobacteriaceae liegen dagegen stets nur drei verschieden gebundene Heptosen vor. Diese Darlegungen verdeutlichen, daß sich Pasteurella multocida und vornehmlich Yersinia pestis im Aufbau der L P S sehr ähneln. Herrn Dr. sc. nat. K. KLOSTERMANN, Sektion Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena, danken wir für die Aufnahme und Diskussion der Massenspektren.

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Institut für bakterielle Tierseuchenforschung der Akademie der Landwirtschaftswissenschaften DDR 6900 Jena, Naumburger Str. 96 a

Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie

21

8

1981

581-586

(Institut für technische Chemie der Akademie der Wissenschaften der DDR, Leipzig, Direktor: P r o f . D r . M . RINGPFEIL)

Yield coefficients in dependence on milieu conditions and cell states I I . Influence of perturbations on continuous cultivation of the yeast elongispoTus on hydrocarbons

Lodderomyces

B . H E I N E I T Z , E . S T I C H E L , T . B L E Y , G . R O G G E a n d F . GLOMBITZA

(Eingegangen am 22.12.1980) The influence of perturbations on continuous yeast cell cultivations on hydrocarbons of crude oil is described. Due to such perturbations the fermentation system leaves its steady state, passes through transitional stages and reaches a new steady state. In the transitional stages a damped oscillation of biomass concentration, percentage of budding cells, oxygen consumption rate, and heat flow is observed. These results can be explained by partial synchronization of yeast cell functions in microorganism populations. In phases of partial synchronization the cell cycle of a single cell is reflected by the behaviour of the microorganism population. The adaptation of the carbon substrate feeding rate to the state of partially synchronized microorganism population makes possible lower specific substrate consumption in biomass production. " T h e study of transient and oscillatory behavior in continuous-culture systems is not only a necessity for the design and efficient running of commercial systems, but also a powerful research tool for the study of regulatory mechanisms in microorganisms." ( H A R R I S O N and T O P I W A L A 1974). Thus investigations were carried out to describe chemostat transient response to different perturbations ( S T E R K I N et al. 1 9 7 2 , H E I N R I T Z 1 9 7 8 , GLOMBITZA and H E I N RITZ 1 9 7 9 , H E I N R I T Z a n d B L E Y

1 9 7 9 , VAIRO et al.

1 9 7 7 , NAGAI et al.

1968,

MULLER

and B E R G T E R 1 9 7 7 ) . Because of the different kinetic properties of cell states (v. M E Y E N BTJRG 1 9 6 9 , B L E Y et al. 1 9 8 0 ) such shift experiments with yeast cultures should also be considered in connection with the fluctuations of the percentage of budding cells. I t might be possible to deduce dynamic process control conceptions with reduced substrate consumption from these results. Materials

and

methods

The yeast strain Lodderomyces elongisporus was cultivated in a chemostat aerobically and continuously on paraffins of crude oil as the only carbon and energy sources. The nutritional medium contained per litre of water 10 g (NH4)2S04, 0.4 g MgS04 • 7 H 2 0,

0 . 9 g K 2 S 0 4 , and 0 . 4 g H 3 P 0 4 ( 8 0 % ) .

After the steady state had been reached, it was maintained for about 50 hours before the defined perturbations were started. Due to such perturbations the fermentation system left its steady state and reached a new steady state. The following fermentation parameters were changed: — oxygen concentration, by changing the air flow in connection with limitation changes, oxygen limitation/carbon substrate limitation, carbon substrate limitation/oxygen limitation (not shown), phosphorus limitation/oxygen limitation (not shown), oxygen limitation/phosphorus limitation (not shown),

582

B . HEINEITZ, E . STICHEL, T . B L E Y , G. KOGGE a n d F . GLOMBITZA

— non-limiting oxygen concentration by a change of the air flow (not shown), — non-limiting paraffin concentration by a change of the mass percentage of crude oil in the fermentation medium (periodically). The temperature of 32 °C, pH 4.2, reactor mass content of 5 kg, aeration rate of 50 1/kg h, and holding time of 5 hours remained constant during the continuous fermentation processes. To interprete the results of continuous fermentations and to describe the transitions of yeast cells from single-cell state to budding-cell state, phased cultures (DAWSON 1972) of the yeast strain Lodderomyces elongisporus on hydrocarbons were carried out. Biomass concentration, percentage of budding cells, oxygen content of the effluent air, and heat flow were measured during the experiments. The oxygen content of the effluent air was analyzed by a "Permolyt" from VEB JUNKALOR Dessau. Biomass concentration was determined gravimetrically. The percentage of budding cells was determined microscopically. Heat production was measured with a nonisothermal flow calorimeter which will be published in a following paper. In some experiments paraffin concentrations in crude oil were analyzed gas chromatographically.

Results and

discussion

Typical experimental results are shown in Fig. 1 which demonstrates a shift experiment with an abrupt change of the air flow through the fermentation medium. The fermentation system evolves from a steady oxygen-limited state to a steady carbon-substrate-limited state. In the experiments the perturbation of the steady state induced a damped oscillation of biomass production rate, oxygen consumption rate, heat flow, and percentage of budding cells. Budding of the yeast cells, on the one hand, and oxygen consumption and heat production, on the other, are shifted temporally. The duration of oscillation periods is in the order of hours. 2 to 3 oscillation periods were observed. Thus 20 hours after a steady state had been perturbed, a new one was not always reached. An analogous result was described by H A R R I S O N etal. ( 1 9 7 2 ) . The results can be explained by a partial synchronization of yeast cell functions in microorganism populations (v. M E Y E N B U R G 1 9 6 9 , B L E Y et al. 1 9 8 0 ) . In phases of partial synchronization of cell functions in microorganism populations the cell cycle of a single cell is reflected by the behaviour of the microorganism population, and both a single-cell state and a budding-cell state can be distinguished. Thus the percentage of budding cells in microorganism populations changes periodically in transitional phases of continuous cultivations. This could be shown by v. M E Y E N B U R G ( 1 9 6 9 ) in the case of carbohydrate fermentation. The shape of the temporal dependence of the percentage of budding cells (Fig. 1) can be explained by different reactions of subpopulations to variations of fermentation parameters (compare MITCHISON 1 9 7 1 ) . In addition to this, the transition of cells between the single-cell state and buddingcell state is linked with increased heat production, carbon substrate and oxygen consumption, as well as ATP- and NADH-synthesis ( G L O M B I T Z A and H E I N R I T Z 1 9 7 9 , B L E Y et al. 1 9 8 0 ) . This also follows from Fig. 2 . In this figure the biomass increase, the percentage of budding cells, the specific oxygen consumption, and the specific heat production in phased cultures of the yeast Lodderomyces elongisporus on hydrocarbons of crude oil are shown. Thus periodic changes of heat flow and oxygen consumption rate could be observed in phases of partial synchronization of microorganism functions during continuous cultivations. The increases of specific heat production and specific material consumptions during transition of yeast cells from the single-cell state to budding-cell state depend on the concentration of carbon and energy sources in the fermentation medium (HEINRITZ 1 9 7 8 ) . From these results a strategy for increasing the material and energetic efficiency of microbial growth processes can be deduced.

583

Yield coefficients. I I . air input (Ukgh)

700 so oxygen

limitation

Carbon

substrate

limitation

X BC . (%) 70 ' '(g/kg) 60

-

50

-

40

25

30

24

20

23

10

22 21 10 19 18

77 16

oxygen n

limitation

carbon substrate

limitation

-

tgikghi '13

-

11

W (kJ/kgh) 190

10

180

9

170

12

8

160

7

150

6

no 130 120 110 100 90

b. Tig. 1. Temporal dependence of biomass concentration (X), percentage of budding cells (BC) ( l a ) , oxygen consumption rate (ro2), and heat flow (W) ( l b ) in a transient state of continuous cultivation after increasing the air flow

38 Z. Allg. Mikrobiol., Bd. 21, H. 8

9

584

B . H E I N B I T Z , E . STICHEL, T . B L E Y , G . ROGGE a n d F . GLOMBITZA

2

u Uhi

i

z *(h)

Fig. 2. Temporal dependence of biomass concentration increase (AX), percentage of budding cells (BC) (a), specific oxygen consumption (Y _1 ), and specific heat production (Y^1) (b) at the beginning of a phase culture of a yeast on hydrocarbons

tltl) Fig. 3. Temporal dependence of biomass concentration (X), percentage of budding cells (BC), influent crude oil concentration — , (Ma%), and actual crude oil concentration of fermentation medium (Ma%) in a continuous cultivation with periodic changes of carbon substrate feeding rate

Yield coefficients. II.

585

T h e minimization of specific material consumption and heat production is possible b y a periodic change of the carbon substrate feeding rate in microbial growth processes of partially synchronized microorganism populations. Fig. 3 and Table 1 show first experimental results. The reduction of carbon substrate concentration in fermentation medium in phases with a low percentage of budding cells in the yeast cell population increases the material and energetic efficiency of microbial substrate conversion into biomass. The adaptation of the carbon substrate feeding rate to the state of partially synchronized microorganism populations is a general principle for increasing yield coefficients in continuous and semicontinuous substrate conversions into biomass or other reaction products, such as organic acids independent on t h e kind of microorganisms. Table 1 Biomass concentration ( X ) , specific material consumption coefficients (Y'1), and specific heat production (l^w) °f a continuous cultivation with periodic changes of influent crude oil concentration in comparison to values of a steady state process in a chemostat 1 ) Steady state process in a chemostat influent crude oil concentration 20 mass percent

Continuous cultivation with periodic changes of influent crude oil concentration 5 h influent crude oil concentration 20 mass percent 7 h influent crude oil concentration 10 mass percent

11.5 11.52) X (g/kg) 1.1 1.02 Ys\ (g/g) 2 75 2.32 YÛ {gig) 36.6 (8.75 kcal/g) 31.8 (7.6 kcal/g) 2 ) Î V (kJ/g) *) Differences in balance equation can be explained by cooxidation of other crude oil constituents such as isoparaffins ( H E I N B I T Z , S T I C H E L , R O G G E unpublished material) 2 ) Average values of periodic changing quantities were counted from 12 equidistant values per oscillation period for a time of 240 hours A cknowledgements We thank Dr. sc. W. B A B E L and Mr. A . STETJDEL for many helpful discussions. We also thank Mrs. C . A M B B O S I U S and Miss R . G R E U L for their skillful technical assistance. Symbols X AX Y Y'1 Fg 1 Y~q* Y^y ro2 W BC t

biomass concentration in g/g biomass concentration increase in g/kg yield coefficient in g/g reciprocal yield coefficient, specific material consumption coefficient in g/g specific substrate consumption in g/g specific oxygen consumption in gig specific heat production in kJ/g oxygen consumption rate in g/kg h heat flow in kJ/kg h percentage of budding cells in a microorganism population in % time in h References

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