Питательные среды и условия роста микробов

Питательные вещества – это растворенные в воде соединения, из которых микроорганизмы строят свои клетки и получают энергию. Требования, предъявляемые различными микроорганизмами в отношении состава питательной среды и прочих условий весьма разнообразны.

В связи с этим было предложено очень много рекомендаций по составлению питательных сред для различных микроорганизмов. В принципе питательные среды должны отвечать следующим минимальным требованиям: в них должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка, в такой форме, в которой микроорганизмы способны их усваивать.

Потребность в химических элементах. По количественному вкладу в построении клетки различают макро- и микроэлементы. К первым относятся 10 элементов, содержащихся во всех организмах / C,O,H,N,S,P,K,Ca,Mg,Fe /. Микроэлементы или следовые элементы - это Mn, Mb, Zn, Cu, Co, Ni, Wu, Bor, Cl, Селен, Kr, Wf и др. в которых нуждаются не все организмы. Они содержатся чаще в качестве примесей в солях макроэлементов. Большинство химических элементов вносят в питательную среду в виде солей /пример: состав простой синтетической среды/.

Источники углерода и энергии. Все патогенные микроорганизмы получают клеточный углерод главным образом из органических веществ. Последние, как правило, служат источником как энергии, так и углерода; частично они ассимилируются для построения клеток, частично окисляются для получения энергии.

Из природных органических соединений количественно преобладают полисахариды – целлюлоза и крахмал. Структурные элементы этих полимерных соединений – молекулы глюкозы – могут использоваться многими микроорганизмами. Микроорганизмы способны также использовать и все другие органические соединения, образующиеся естественным путем.

Добавочные вещества. Помимо элементов минерального питания и источников углерода и энергии многие организмы нуждаются еще в некоторых дополнительных веществах, называемых факторами роста. Эти вещества входят в основной состав клетки, но некоторые организмы не способны их синтезировать сами.

Такие факторы роста относятся к трем группам соединений – к аминокислотам, пуринам и пиримидинам, а также к витаминам. За исключением витаминов, первые три соединения – составные части белков и НК, поэтому клетка нуждается в достаточных количествах этих соединений. Витамины входят в состав коферментов или простотетических групп, и таким образом необходимы только в очень малых количествах.

Организмы, нуждающиеся в факторах роста, называют ауксотрофными и противопоставляют их прототрофным организмам, которым такие факторы не нужны.

Сера и азот. Оба элемента содержатся в клетке главным образом в восстановленной форме / сульфгидрильные группы, аминогруппы/. Большинство микроорганизмов способно поглощать эти элементы в их окисленной форме, в виде сульфата и нитрата, которые они могут восстанавливать. Наиболее обычный источник азота для микроорганизмов – соли аммония и аминокислоты.

Кислород. Многим микроорганизмам, помимо кислорода воды, СО₂ и органических веществ, необходим молекулярный кислород /О₂/. Главная функция О₂ состоит в том, что он служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании, восстанавливаясь при этом до воды.

По отношению к молекулярному кислороду можно выделить три группы микроорганизмов:

а) Облигатные аэробы – способны получать энергию только путем дыхания и поэтому нуждаются в О₂ ;

б) Облигатные анаэробы – могут расти только в среде, лишенной О₂;

в) Факультативные анаэробы растут как в присутствии, так и в отсуствии О₂; среди них следует различать два типа:

- аэротолерантные молочнокислые бактерии могут расти в присуствии атмосферного О₂ , но не способные его использовать – они получают энергию с помощью брожения;

- другие факультативно-анаэробные бактерии (Enterobacteriaceae) и многие дрожжи могут переключаться с дыхания (в присутствии О₂) на брожение (в отстуствии О₂).

Многие аэробные бактерии – микроаэрофилы, хотя они и нуждаются в кислороде для получения энергии, однако не переносят того парциального давления О₂, которое существует в воздухе (0.20 бар) – им нужно от 0.01 до 0.03 бар.

Таким образом, обозначив потребность микроорганизмов в питательных веществах, было установлено, что очень многие нетребовательные микроорганизмы, например, большинство эшерихий, псевдомонад, хорошо растут на простых синтетических средах (глюкоза + соли). Но многим микроорганизмам, в особенности патогенным, сверх того нужны еще какие-то из перечисленных выше микроэлементов, витаминов или других добавок. Если питательный раствор составлен из определенных химических соединений, то говорят о синтетической среде.

Исследователи стремятся определить для каждого микроорганизма оптимальные потребности в питательных веществах и составить минимальную среду, содержащую лишь те инградиенты, которые необходимы для роста. Более требовательные виды нуждаются в большом числе добавочных веществ (>40 компонентов).

Сложные среды. У многих, особенно требовательных микроорганизмов, потребности в питательных веществах изучены пока недостаточно. Их культивируют на средах, содержащих дрожжевой экстракт, дрожжевой автолизат, пептон или мясной бульон. Для уменьшения стоимости к питательным растворам часто добавляют вместо чистых соединений весьма сложные смеси, нередко их получают из субпродуктов, вторичного сырья и пр. Такого рода питательные среды называют сложными.

Такого рода питательные среды называют сложными.

Твердые среды. Для приготовления твердых сред к жидким питательным растворам добавляют особые вещества, которые придают им желеобразную консистенцию. Желатину применяют для этой цели лишь в отдельных случаях из-за слишком низкой точки плавления (26-30*) и, кроме того, разжижается многими микроорганизмами. Почти идеальным средством для получения твердых сред служит агар (полисахарид из морских водорослей) в концентрации 15-20 г/л. Плавится агар только при 100*, но при охлаждении остается жидким вплоть до 45*. Разлагать его способны лишь немногие микроорганизмы. В тех случаях, когда требуются твердые среды, не содержащие органических компонентов, применяют силикагель.

Изготовление универсальной среды с одинаковой питательной ценностью для всех патогенных микробов практически неосуществимо, так как индивидуальные потребности отдельных видов крайне разнообразны. Учитывая эти особенности, питательные среды обычно делят на три группы:

1) Простые, или обычные среды, пригодные для культивирования большинства патогенных микробов;

2) Специальные среды, употребляемые для выделения и выращивания тех патогенных микробов, которые на обычных средах развиваются неудовлетворительно или совсем не растут.

3) Дифференциально-диагностические среды, применяемые для определения видовой принадлежности выделенной чистоты культуры исследуемого микроба.

В биологической промышленности культивирование микроорганизма осуществляют на специальных средах, основой приготовления которых нередко служат простые питательные среды. Более того, их применяют и самостоятельно для этой цели. Существуют руководства с описанием приготовления простых питательных сред, применяемых для изготовления биоприпаратов. Здесь заслуживает внимания лишь перечисление их названий: 1. Мясная вода; 2 Мясопептонный бульон (МПБ); 3. Мясопептонный печеночный бульон (МППБ); 4. Мясопептонный агар (МПА); 5. Полужидкий агар; 6. Питательная желатина; 7. Основной мясокислотный гидролизат; 8. Гидролизатная среда для культивирования сибиреязвенных микробов; 9. Печеночный бульон на мясном гидролизате для культивирования бацилл эмкара; 10. Печеночный агар на кислотном гидролизате из сгустков крови для культивирования бруцелл. 11. Среды для культивирования микобактерий; 1.2 Основной перевар по Хоттингеру; 13. Питательная среда из свиней; 14. Среды из перевара по Хоттингеру для культивирования сальмонелл; 14. Среды из перевара по Хоттингеру для культивирования микобактерий; 15. Ферментативный перевар мяса по Герману; 16. Пептон Мартена; 17. Среда Китт-Тароцци; 18. Казеиновый гидролизат; 19. Казеиново-мясная среда. В современном биопроизводстве имеется множество модификаций приготовления перечисленных питательных сред, обеспечивающих более интенсивный рост и накопление микробов в процессе промышленного культивирования.