Биохимия питания микроорганизмов

       Граница между автотрофами и гетеротрофами достаточно условна, так как существует множество видов, обладающих переходной формой питания — миксотрофией, либо использующие наиболее удобный в данных условиях тип питания. Даже типичные автотрофы - фотосинтезирующие зелёные растения - могут усваивать некоторое количество органических веществ из почвы через корни, но их рост и развитие лучше протекают на минеральных источниках азота. Некоторые зелёные растения, обладая способностью к фотосинтезу, являются в то же время насекомоядными (росянка, пузырчатка и др.), т. е. используют в основном органический азот, а их углеродное питание осуществляется фотосинтетически. 

       2.3. Азотистое питание

       В отношении азотистого питания микробы  также разделяются на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

       Аминоавтотрофные  синтезируют белковые вещества за счет минеральных источников азота (аммиак, аммонийные соли, азотнокислые соли, азот атмосферы) или простейших форм органического  азота. Сюда относятся главным образом  почвенные бактерии - нитрифицирующие, азотфиксирующие.

       Аминоавтотрофные  бактерии для усвоения азота из минеральных  источников и из простейших органических соединений предварительно переводят  их в аммиак и из аммиака синтезируют  аминокислоты. Аммиак, как восстановленная форма азота в клетке, довольно легко преобразуется в аминогруппы. Но надо иметь в виду, что многие виды бактерий этой группы не развиваются на готовых аммиачных солях, так как эти соли обладают большой физиологической кислотностью, рН слишком сильно снижается. Мочевина - простейшее органическое соединение - также сперва расщепляется на аммиак и углекислоту. Аминоавтотрофы могут сами синтезировать все необходимые им аминокислоты из простых источников углерода, азота, серы. В почве имеются бактерии, усваивающие молекулярный азот атмосферы, - азотфиксирующие бактерии. К ним относятся свободноживущие азотобактер и клостридий пастерианум и живущие на корнях бобовых растений клубеньковые бактерии.

       Аминогетеротрофы  не способны синтезировать белковую молекулу или некоторые аминокислоты из простых соединений азота. Они нуждаются в готовых белках или аминокислотах. В эту группу входят сапрофиты, гнилостные, молочнокислые бактерии, патогенные микробы. Оболочка бактериальных и грибных клеток не пропускает высокомолекулярные белки, через нее проходят только пептиды, состоящие всего из пяти аминокислот. Поэтому белками могут пользоваться только микроорганизмы, которые выделяют в среду протеазы, расщепляющие белковые молекулы до пептидов и аминокислот. Протеолитическую активность микробов определяют по их способности главным образом разжижать желатину.  

       Глава 3. Питательные среды

       Питательные среды - субстраты, состоящие из компонентов, обеспечивающих необходимые условия для культивирования микроорганизмов или накопления продуктов их жизнедеятельности. 

       Культивировать  микроорганизмы - это значит искусственно создавать условия для их роста и размножения in vitro, взаимосвязанных, но не обязательно сопряжённых процесса. Рост и размножение -циклический 4-х фазный  процесс (латентная, логарифмического роста, стационарная, гибель). Период между образованием новых клеток и их делением называется периодом генерации, на длительность которого, кроме особенностей микроба, влияет состав питательной среды. 

       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. Агар-агар — полисахарид, получаемый из определенных сортов морских водорослей. Агар обычно вносят в П. с. в концентрации 1—2% (при изготовлении полужидких сред — 0,2—0,4%), желатин — 10—15%. При t° 25—30° желатиновые среды плавятся, поэтому микроорганизмы на них выращивают преимущественно при комнатной температуре. В качестве плотных сред применяют также свернутую сыворотку крови, свернутые яйца, картофель и среды, содержащие 1,5% силикагеля. 

       По  составу Питательные среды делят на простые и сложные. Простые П. с. 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 П. с. Такие среды готовят, прибавляя к простым средам кровь, сыворотку, углеводы и другие вещества, необходимые для размножения того или иного микроорганизма. Сложными П. с. 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 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 П. с., содержащие лишь те соединения, которые необходимы для роста данного микроба. Преимуществом синтетических П. с. является также их стандартность, однако использование этих сред ограничено из-за высокой стоимости и сложности состава многих из них (нередко они содержат до 40 и более ингредиентов). К тому же они более чувствительны к нарушениям баланса между некоторыми компонентами П. с., особенно аминокислотами, и размножение микроорганизмов на таких средах легче подавляется избыточной аэрацией или токсическими катионами. 

       В микробиологической практике продолжают широко использовать среды природного происхождения, химический состав которых  известен недостаточно. Основу таких  сред изготавливают из различного сырья  животного или растительного  происхождения: мяса и его заменителей, рыбы, крови животных, казеина, дрожжей, картофеля, сои и др. Вид и качество этого сырья по существу во многом предопределяют питательную ценность и стандартность применяемых основ и в значительной мере самих сред. 

       Наряду  с белковыми основами П. с. должны содержать зольные элементы (фосфор, серу, кальций, магний, железо) и микроэлементы (бор, молибден, кобальт, марганец, цинк, никель, медь, хлор, натрий, кремний и др.). Эти вещества необходимы для многих биосинтетических процессов у бактерий, однако потребность в них у разных видов микроорганизмов неодинакова. Так, например, марганец и железо требуются для кишечной палочки и возбудителей чумы, а калий — для молочнокислых бактерий. Марганец, кальций, магний, калий и железо стимулируют рост сибиреязвенной палочки, а магний, железо и марганец — рост бруцелл. 

       Для культивирования многих патогенных микроорганизмов необходимо наличие  в среде так называемых факторов роста, представленных прежде всего  водорастворимыми витаминами. Хотя бактерии не используют эти вещества как пластический или энергетический материал, тем не менее они являются обязательными компонентами питательных сред, т.к. их отсутствие тормозит образование многих ферментов. Факторами роста могут быть также некоторые органические кислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и аминокислоты. Отдельные аминокислоты (L-цистин, D—пироглутаминовая кислота и др.) способны стимулировать рост одних микроорганизмов и, наоборот, угнетать рост других. 

       Питательные среды должны содержать все необходимые  для выращиваемых микроорганизмов химические элементы в легко усвояемой форме и оптимальных количествах. Источником углерода в П. с. обычно служат отдельные углеводы, соли органических кислот, а также углерод, входящий в состав азотсодержащих соединений (белков, пептонов, аминокислот и др.). Потребности в азоте удовлетворяются при наличии в средах нативного животного белка (кровь, сыворотка, асцитическая жидкость и т.п.), пептонов, аминокислот, солей аммония и других азотсодержащих веществ (пуриновые и пиримидиновые основания, мочевина и др.). В питательные среды вносят минеральные соли, необходимые для микроорганизмов. Микроэлементы, требующиеся бактериям в ничтожно малых количествах, обычно попадают в П. с. либо с водой, которая используется для приготовления среды, либо с сырьем, входящим в состав П. с. Факторы роста поступают в среду с различными диализатами, экстрактами и аутолизатами в виде аминокислот, пептидов, пуриновых и пиримидиновых оснований и витаминов. 

       Белоксодержащее сырье, используемое для приготовления П. с., подвергается гидролизу с помощью различных ферментов (пепсина, трипсина, панкреатина, папаина, грибковых протеаз и т.п.) или кислот (реже щелочей). Целью гидролиза является растворение и расщепление протеина с образованием азотистых соединений, усвояемых микробной клеткой: пептонов, полипептидов, аминокислот, которые входят в состав получаемых таким путем гидролизатов. Для удовлетворения питательных потребностей каждого конкретного вида микроорганизмов используют те или иные гидролизаты в зависимости от их химического состава либо в состав П. с. одновременно вводят несколько гидролизатов в отработанных соотношениях. 

       Конструируемая  П. с. по своему составу и физико-химическим свойствам должна соответствовать  условиям естественного обитания микроорганизмов. Различия их питательных потребностей столь многообразны, что исключают возможность создания универсальной П. с. Поэтому современные принципы разработки сред основываются на всестороннем изучении питательных потребностей микроорганизмов. 

       Необходимо, чтобы П. с. не только содержали нужные микробам питательные вещества, но и имели оптимальную концентрацию водородных и гидроксильных ионов. Большинство патогенных микроорганизмов лучше растут на П. с. со слабощелочной реакцией (рН 7,2—7,4). Исключением являются холерный вибрион, оптимум роста которого находится в щелочной зоне (рН 8,5—9,0), и возбудитель туберкулеза, нуждающийся в слабокислой реакции (рН 6,2—6,8). Для предотвращения изменения рН в процессе культивирования микроорганизмов в П. с. добавляют фосфатные буферы — смесь одно- и двузамещенного фосфатов калия, концентрация которых в среде не должна превышать 0,5%. 

       Питательные среды должны иметь достаточную  влажность и быть изотоничными для  микробной клетки, что обеспечивает нормальное течение в ней важнейших физико-химических процессов. Для большинства микроорганизмов оптимальной является среда, соответствующая 0,5% раствору натрия хлорида. Одним из существенных требований, предъявляемых к П. с., служит их стерильность, позволяющая выращивать чистые культуры микробов. 

       Важная  роль в получении П. с. надлежащего  качества принадлежит методам их контроля. Для применяемых в производстве питательных сред главным показателем  качества служит эффективность (урожайность) сред, т.е. способность накопления максимального количества биомассы полноценных по свойствам микроорганизмов или продуктов их биосинтеза (токсинов и др.). В оценке диагностических П. с. ведущим критерием является показатель чувствительности — способность обеспечить рост микроорганизмов в максимальных разведениях культуры возбудителя. В зависимости от назначения П. с. при оценке их качества используют также и другие показатели — стабильность основных свойств выращиваемых микроорганизмов и скорость их роста, выраженность дифференцирующих свойств и т.п.

       При решении вопросов качества П. с. немаловажное значение придается их стандартизации, чему способствует изготовление сред в виде сухих препаратов.  
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемой литературы:

1 Козлов Ю. Питательные среды в медицинской микробиологии -  М., 1950;

2 Шлегель Г. Общая микробиология. – М.,1987

3 Бейли Дж., Оллис Д. Основы биологической инженерии – М.,1989.

4 Стейниер  Р., Эльберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. – М., 1979.