Принципы составления питательных сред

Всем организмам присущ постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой. Для осуществления процессов питания и размножения необходимы определенные условия и, в первую очередь, наличие питательных веществ, из которых микробы синтезируют составные части своего тела и получают, путем окисления различных веществ, необходимую энергию.

Конструируя питательные среды для любых микроорганизмов и иных живых существ, необходимо помнить, что по своему составу и свойствам они должны быть максимально приближены к условиям естественного обитания микроорганизма, не должны от них сильно отличаться. Именно поэтому, все современные принципы и условия разработки питательных сред основываются, прежде всего, на изучении основных питательных потребностей микроорганизмов. Так как у каждого вида микроорганизмов существует своя подходящая только данному виду питательная среда, то возможность создания единой и универсальной среды практически исключена.

Питательные среды различаются по назначению, консистенции и составу. По назначению их условно подразделяют на две основные группы — диагностические и производственные среды.

Диагностические питательные среды включают пять подгрупп: среды для выращивания широкого спектра микроорганизмов; среды для выделения конкретного возбудителя; дифференциальные среды, позволяющие различать отдельные виды микроорганизмов; среды для идентификации микроорганизмов и накопительные среды, предназначенные для обогащения конкретного вида микроорганизмов. К числу производственных относятся питательные среды, используемые при промышленном изготовлении медицинских биологических препаратов (бактериальных вакцин, анатоксинов и др.) и контроле их качества. Питательные среды для производства бактерийных препаратов в отличие от диагностических сред не должны содержать вредных для человека примесей и оказывать отрицательного влияния на процесс производства (не препятствуя, в частности, удалению из изготавливаемых препаратов продуктов микробного метаболизма, балластных органических и минеральных веществ).

По консистенции различают жидкие, плотные и полужидкие среды. Плотные и полужидкие питательные среды готовят из жидких посредством прибавления к ним агара или (реже) желатина.

По составу питательные среды делят на простые и сложные. Простые питательные среды обеспечивают питательные потребности большинства патогенных микроорганизмов (мясопептонный бульон, мясопептонный агар, бульон и агар Хоттингера, питательный желатин, пептонная вода и др.). К сложным относят специальные среды для микробов, которые не растут на простых питательных средах. Такие среды готовят, прибавляя к простым средам кровь, сыворотку, углеводы и другие вещества, необходимые для размножения того или иного микроорганизма. Сложными питательными средами являются и дифференциально-диагностические среды, например среды Гисса с углеводами и индикатором, применяемые для определения видовой принадлежности исследуемого микроба по его ферментативной активности. Некоторые сложные среды, так называемые селективные, или элективные, используют для целенаправленного выделения одного или нескольких видов микроорганизмов путем создания оптимальных условий их выращивания и угнетения роста сопутствующей микрофлоры. Например, висмут-сульфитный агар — строго селективная среда для выделения сальмонелл, агар и среда Левина — слабоселективные среды для выделения энтеробактерий.

В зависимости от состава исходных компонентов различают также среды синтетические, полусинтетические и природного (натуральные) происхождения. Синтетические среды, составные части которых точно известны, и несколько в меньшей степени полусинтетические удобны и используются главным образом для изучения физиологических процессов микроорганизмов. Применение сред такого типа позволяет определить минимальные потребности отдельных микроорганизмов в питательных веществах и, исходя из этого, создать питательные среды, содержащие лишь те соединения, которые необходимы для роста данного микроба. Преимуществом синтетических питательных сред является также их стандартность, однако использование этих сред ограничено из-за высокой стоимости и сложности состава многих из них.

При подборе состава питательных сред для культивирования микроорганизмов следует учитывать множество факторов. Один из них связан со стехиометрией роста микроорганизмов и количеством биомассы, которое необходимо получить в процессе культивирования. Основой расчетов является материальный баланс, связанный с превращением в процессе клеточного роста низкомолекулярных органических и неорганических соединений в биомассу. Для синтеза заданного количество биомассы в системе культивирования необходимо ввести достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном соотношении.

Следует учитывать, что питательные среды помимо содержания питательных веществ, должны иметь необходимую и подходящую концентрацию водородных и гидроксильных ионов. Так как на изменение потребностей в факторах роста способны влиять температура и рН. Много для питательной среды значит влажность и изотоничность. Изотонические растворы - это искусственно приготовленные растворы, но со схожим осмотическим давлением с содержимым животных и растительных клеток. Чистые культуры микробов необходимо выращивать в стерильной среде.

Методы контроля очень важны в производстве питательных сред. Один из основных показателей качества в этом производстве - урожайность среды, то есть своеобразная способность накопления максимального количества биомассы полноценных по свойствам микроорганизмов. Нельзя забывать и о показателе чувствительности – то есть способности обеспечить рост микроорганизмов в максимальных разведениях культуры возбудителя. Конечно, показателей, используемых для оценки качества питательных сред, достаточно много, все зависит от того, для чего необходима питательная среда.
Уже много лет, при решении вопросов, связанных с качеством питательных сред, используются единые методы стандартизации.

Рисунок 3- Принципы, лежащие в основе конструирования производственных питательных сред

Для синтеза заданного количества биомассы в систему культивирования необходимо достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном отношении.

2.2 Основные источники питания, используемые для микроорганизмов – продуцентов

Вода. Дляроста и размножения микроорганизмов необходимо присутствие воды. К качеству воды предъявляются особые требования. В большинстве случаев при приготовлении питательных сред используют дистиллированную воду, приготовленную в различных видах дистилляторов.

Дистиллированная вода считается качественной, если не содержит аммиака, органических веществ и кислот. Допускается рН воды в пределах 5,0-6,8. В некоторых случаях, когда в среды добавляют перекристаллизованные реактивы в микроконцентрациях (тысячные доли процента и менее), применяют трижды дистиллированную воду.

Если из воды необходимо удалить хлориды, соли тяжелых металлов или растворенные газы, можно использовать обессоленную воду (т.е. деионизированную или аперогенную).

Источники углеродного питания. Среди элементов, используемых микроорганизмами в качестве питательных веществ, одним из важнейших является углерод, содержание которого в пересчете на сухую массу составляет около 50%.

В качестве источников углерода обычно использую пентозы, гексозы, трисахариды, полисахариды, многоатомные спирты, гликозиды. Эти вещества входят в состав многих питательных сред. Кроме того, растворы сахаров и многоатомных спиртов в концентрации 0,5-1% применяют для дифференциации и идентификации микроорганизмов по их ферментативным свойствам.

Источником углерода может быть также диоксид углерода, который в процессе метаболизма обычно образуется в количестве, достаточном для обеспечения потребности клетки. Во многих случаях необходимая концентрация диоксида углерода (от 2 до 5%) устанавливается в атмосфере культивирования и инкубации. Некоторые микроорганизмы развиваются при более высоких концентрациях СО₂. Бактерии, которые используют в качестве источника питания диоксид углерода, называются гетеротрофами. Любое углеродное соединение расщепляется клеткой до низкомолекулярного вещества. Во время процесса расщепления из химических соединений выделяется энергия, которая в форме АТФ используется микроорганизмами.

Источники азотного питания. Для развития микроорганизмов, синтеза белковых соединений и построения протоплазмы необходимы источники азота. Наиболее универсальным источником азота для микроорганизмов является аммоний (в виде аммонийных солей), а также белки, аминокислоты, пептон и пептиды.

Одним из основных источников азота в составе сред для культивирования являются аминокислоты. Потребность микроорганизмов в аминокислотах весьма разнообразна: она наиболее сильно проявляется у патогенных микроорганизмов и молочнокислых бактерий, а также у многих гнилостных бактерий.

Иногда необходимо определенное сочетание аминокислот (например, изолейцина и валина, фенилаланина и тирозина, метионина и лизина), а иногда они могут заменять друг друга (например, серин и глицин, цистин и метионин, лизин и треонин, пролин и глутаминовая кислота, цистин и цистеин и т.д.).

В ряде случаев внесение в среду небольшого количества свободных аминокислот благоприятно влияет на биосинтез некоторых антибиотиков. Наиболее интенсивный биосинтез большинства антибиотиков наблюдается на средах с минеральными и органическими источниками азота.

Органические азотистые соединения используются продуцентами также, как источники углерода, причем многие продуценты предпочитают их углеводам.

Источники фосфорного питания. Фосфор входит в соединения протоплазмы (фосфолипиды, коферменты, нуклеиновые кислоты), определяет ее структуру и функции. Органические соединения фосфора используются микроорганизмами как аккумуляторы энергии, освобождающейся в процессе окисления. В питательно среде должны присутствовать фосфаты в виде неорганических одно- или двухзамещенных фосфатов калия и натрия. Также источником фосфатов могут служить нуклеиновые кислоты.

Факторы роста. Термин «факторы роста» используют для обозначения особенно важных источников питания, таких как аминокислоты, которые включаются целиком в структуру клетки. Факторы роста необходимы микроорганизмам в малых дозах, они используются для синтеза физиологически активных веществ, регулирующих внутриклеточный метаболизм. Факторами роста помимо аминокислоты являются пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, витамины.

В относительно больших количествах (от 10^-5 до 10^-4 М) необходимы углерод, азот, кислород, водород, фосфор, сера, калий, кальций, железо, магний. Содержание минеральных веществ в бактериальных клетках составляет от 2 до 14% к их сухой массе. Необходимы также и микроэлементы (от 10^-8 до 10^-5 М); медь, цинк, кобальт, никель, хлор, натрий, кремний, молибден, марганец и др.

Действие факторов роста многогранно. Они могут участвовать в тех или иных процессах обмена веществ. В большинстве случаев потребность микроорганизмов в факторах роста зависит от состава питательной среды и способности микроорганизма синтезировать витамины. Если биосистема их не синтезирует, то фактор роста обычно должен присутствовать в среде в готовом виде.

Дата добавления: 2015-10-24