ΜΙΚΤΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ 1. Oρισμένες βιομηχανικές διεργασίες (π.χ. επεξεργασία υδατικών αποβλήτων) χρησιμοποιούν μικτές καλλιέργειες. 2. Mια καθαρή καλλιέργεια μπορεί να μετατραπεί σε μικτή μετά από μόλυνση της καλλιέργειας με κάποιο άλλο μικροοργανισμό ή μετά από μετάλλαξη του μικροοργανισμού της καθαρής καλλιέργειας. 3. Oι μικτές καλλιέργειες παρουσιάζουν κάποια πλεονεκτήματα, όπως: (α) ικανότητα να επιτελούν σειρές χημικών μετασχηματισμών, που καμμία καθαρή καλλιέργεια δεν μπορεί να επιτύχει (β) ικανότητα ανάπτυξης σε απλούστερα, και επομένως φθηνότερα, μέσα (γ) ικανότητα λειτουργίας σε ευρύτερη περιοχή περιβαλλοντικών συνθηκών (δ) μεγαλύτερη ανθεκτικότητα έναντι μολύνσεων. 4. Tα φυσικά οικοσυστήματα πάντοτε αφορούν μικτές καλλιέργειες.

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΔΥΟ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΩΝ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ ΟΝΟΜΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ Α στον Β Β στον Α ΑΜΕΣΕΣ ΘΗΡΕΥΣΗ (PREDATION) + - ΠΑΡΑΣΙΤΙΣΜΟΣ (PARASITISM) ΕΜΜΕΣΕΣ ΣΥΝΑΓΩΝΙΣΜΟΣ (COMPETITION) - ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΜΟΣ (ANTAGONISM) ΚΟΜΜΕΝΣΑΛΙΣΜΟΣ (COMMENSALISM) + o ΑΜΕΝΣΑΛΙΣΜΟΣ (AMENSALISM) ΑΜΟΙΒΑΙΟΤΙΣΜΟΣ (MUTUALISM) ΠΡΩΤΟΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ (PROTOCOOPERATION)

ΘΗΡΕΥΣΗ S B P Εξισώσεις χημοστάτη: p, b, s Bungay & Bungay (1968) Drake et al. (1968) Canale (1969, 1970)

ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ 1. Όλοι οι μικροοργανισμοί σε έναν πληθυσμό είναι όμοιοι μεταξύ τους. Δηλαδή, αγνοούνται διαφορές στην φυσιολογία των κυττάρων ενός πληθυσμού. 2. H σχέση κυνηγού-θηράματος (predator-prey) είναι η μόνη αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο πληθυσμών. Δηλαδή, δεν υπάρχουν άλλες αλληλεπιδράσεις στο σύστημα. 3. Oι ρυθμοί με τους οποίους οι δύο πληθυσμοί καταναλώνουν την τροφή τους είναι ανάλογοι των ρυθμών ανάπτυξής τους. 4. Oι διεργασίες μεταβολισμού και συντήρησης είναι αμελητέες. 5. Oι συντελεστές απόδοσης X και Y είναι σταθεροί. 6. Δεν υπάρχει καθυστέρηση στην απόκριση των μικροοργανισμών σε μεταβολές στο περιβάλλον τους. 7. Οι ειδικοί ρυθμοί ανάπτυξης των μικροβιακών πληθυσμών περιγράφονται από το μοντέλο Monod.

2. Έκπλυση μόνο των πρωτοζώων: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ [Canale (1969, 1970), Curds (1971), Jost et al. (1973), Pavlou (1985)] Μόνιμες καταστάσεις 1. Ολική έκπλυση: 2. Έκπλυση μόνο των πρωτοζώων: 3. Συνύπαρξη:

Για να έχει φυσικό νόημα μια μόνιμη κατάσταση πρέπει: ps  0, bs  0, sF  ss  0 Για την μόνιμη κατάσταση 2: Για την μόνιμη κατάσταση 3:

Ευστάθεια μόνιμων καταστάσεων Ιακωβιανός πίνακας Μόνιμη κατάσταση 1 (ολική έκπλυση) Ιδιοτιμές: Ευσταθής όταν:

Μόνιμη κατάσταση 2 (έκπλυση πρωτοζώων) Ιδιοτιμές: Ευσταθής όταν:

Διάγραμμα λειτουργίας D I II III IV V οριακός κύκλος (ταλαντώσεις) sF

I II III IV V Χαρακτήρας μόνιμων καταστάσεων Μ.Κ. 1 ευσταθής κόμβος σαγματικό σημείο (ασταθής) Μ.Κ. 2 χωρίς φυσικό νόημα Μ.Κ. 3 ευσταθής εστία ασταθής εστία

Canale (1970)

Curds (1971)

Jost et al. (1973)

Drake & Tsuchiya (1976)

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΔΕΝ ΠΡΟΒΛΕΠΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ A1. Eλάττωση του ρυθμού αραίωσης D του χημοστάτη έχει ως αποτέλεσμα οι μόνιμες ταλαντώσεις να μετατραπούν σε φθίνουσες. Δηλαδή, σε μεγαλύτερους ρυθμούς αραίωσης παρατηρούνται μόνιμες ταλαντώσεις των συγκεντρώσεων, ενώ σε μικρότερους ρυθμούς αραίωσης παρατηρούνται μόνιμες καταστάσεις ισορροπίας [Jost et al. (1973a), Drake & Tsuchiya (1976), Ratnam et al. (1982)]. A2. Yπάρχει πολύ μεγάλη διαφορά (αρκετές τάξεις μεγέθους) μεταξύ των πειραματικών μετρήσεων και των προβλέψεων του μοντέλου όσον αφορά τις ελάχιστες τιμές των συγκεντρώσεων κατά τις ταλαντώσεις [Jost et al. (1973a), Ratnam et al. (1982)].

Πειράματα των Ratnam et al. (1982) Σύστημα: Tetrahymena pyriformis - Escherichia coli - γλυκόζη Eλάχιστες τιμές των συγκεντρώσεων κατά τις ταλαντώσεις D (h-1) Πειράματα (cells/mL) Μοντέλο 0.04 p = 30 b = 6104 p = 6.5 b = 610-14 0.1 b = 1104 p = 1.4 b = 5102

ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΟΛΛΑΠΛΟΥ ΚΟΡΕΣΜΟΥ [Jost et al. (1973)] Μοντέλο Monod Μοντέλο πολλαπλού κορεσμού

Διάγραμμα λειτουργίας D I II III IV V ταλαντώσεις sF

ΠΡΟΣΚΟΛΛΗΣΗ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ ΣΤΑ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΤΟΥ ΧΗΜΟΣΤΑΤΗ [Bonomi & Fredrickson (1976)]

Διάγραμμα λειτουργίας D II III IV V ταλαντώσεις sF

ΕΝΔΟΓΕΝΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ [Nisbet et al. (1983)]

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ ΧΩΡΙΣ ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ B1. Tα πρωτόζωα δεν καταναλώνουν όλα τα βακτήρια, αλλά παραμένει ένας αριθμός βακτηρίων μέσα στον αντιδραστήρα [Danso & Alexander (1975), Habte & Alexander (1978a, 1978b), Watson et al. (1981), Swift et al. (1982), Graham & Canale (1982), Sambanis et al. (1987)]. B2. H συγκέντρωση των βακτηρίων μπορεί να πέσει αρχικά σε τιμές χαμηλότερες τις τιμής που λαμβάνει τελικά [Habte & Alexander (1978a), Graham & Canale (1982), Sambanis et al. (1987)]. B3. Προσθήκη στον αντιδραστήρα ενός αντιβιοτικού που παρεμποδίζει την ανάπτυξη των βακτηρίων έχει ως αποτέλεσμα την εξάλειψη των βακτηρίων από το σύστημα [Habte & Alexander (1978b)].

ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ [Cunningham & Nisbet (1983)]

ΑΔΥΝΑΜΙΑ ΣΥΛΛΗΨΗΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΤΕΡΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ ΑΠΟ ΤΑ ΠΡΩΤΟΖΩΑ [Pavlou & Fredrickson (1983)] (m) = m

mc : ελάχιστη μάζα βακτηρίων που συλλαμβάνονται από τα πρωτόζωα. Υποπληθυσμοί βακτηρίων: Fenchel (1980)

Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου χωρίς θρεπτικά συστατικά για τα βακτήρια

Χημοστάτης

Απλούστερο μοντέλο

Διάγραμμα λειτουργίας D I II III IV V ταλαντώσεις sF

ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΑΠΡΟΤΡΟΦΙΑΣ (ΘΗΡΕΥΣΗ + ΚΟΜΜΕΝΣΑΛΙΣΜΟΣ) [Sambanis et al. (1986, 1987)]

Διάγραμμα λειτουργίας D I II III IV 1 Ο.Κ. V 3 Ο.Κ. 2 Ο.Κ. sF

Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου χωρίς προσθήκη θρεπτικών συστατικών για τα βακτήρια