Потребности микроорганизмов в источниках питания
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.
По типам питания бактерии подразделяют на аутотрофные (про-тотрофные) и гетеротрофные.
Аутотрофные (греч. Autos - сам, trophe - пища) микроорганизмы обладают способностью создавать органические вещества из неорганических, они не нуждаются в органических соединениях углерода. Синтез составных частей микроорганизмов осуществляется путем усвоения углекислоты, воды и простых азотистых соединений (аммиака, его соли, соли азотистой кислоты). К микробам аутотрофного питания принадлежат нитрифицирующие бактерии, многие серобактерии, а также азотфиксирующие бактерии (Azotbacter, некоторые виды Clostridium), которые усваивают азот из атмосферы. Синтез сложных веществ происходит у них за счет энергии, получаемой окислением аммиака до нитратов (Nitrosommonas) и нитритов (Nitrobacter), а серы, сульфидов, тиосульфатов - до серной кислоты (Thiobaillus thiooxidans).
Некоторые виды микроорганизмов (анаэробные пурпурные и зеленые серобактерии) содержат хлорофилл и используют солнечную энергию для фотосинтеза. При изучении аутотрофных бактерий было установлено, что в процессе синтеза органических веществ клетки используют углекислоту в качестве единственного источника углерода и не в состоянии усваивать более сложные соединения углерода, а следовательно, не могут быть патогенными для человека и животных.
Гетеротрофные (греч. Heteros - другой) бактерии нуждаются для своего питания в органическом углероде (углероды, кето-, амино-, окси- и жирные кислоты), различных азотистых соединениях (нитраты, аммиак), неорганических веществах (калий, магний, марганец, железо, фосфаты, сульфаты), микроэлементах и витаминах.
Гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на сапрофитов и паразитов.
Сапрофиты (греч. sapros - гнилой, phyton - растение) живут за счет органических веществ, находящихся во внешней среде. К ним относятся большинство видов бактерий, населяющих нашу планету. Их иначе называют метатрофными.
Паразиты (греч. parasites - нахлебник) живут на поверхности или внутри другого организма, хозяина, и питаются за его счет. Эту группу составляет сравнительно небольшое количество видов микроорганизмов, приспособившихся в ходе эволюции к паразитическому образу жизни. Некоторые исследователи называют их паратрофами, поскольку они осуществляют свое питание за счет органических соединений животных и человека. Однако такое подразделение гетеротрофных микробов на сапрофитов и паразитов не является абсолютным, поскольку невозможно установить резкую грань между этапами.
Основное отличие гетеротрофных организмов от аутотрофных заключается в том, что они нуждаются в органических соединениях, асимметрический атом углерода. Однако за последнее время доказано, что отдельные виды гетеротрофных бактерий, простейших грибов, дрожжей, а также животные усваивают углекислоту и аммиак, синтезируя из них сложные углеводы и аминокислоты.
Отдельные виды патогенных для животных и человека микробов могут существовать во внешней среде как сапрофиты и, наоборот, некоторые сапрофиты при неблагоприятных условиях могут вызывать у людей и животных различные заболевания.
В настоящее время установлено, что некоторые микроорганизмы, считавшиеся типичными гетеротрофами, хорошо растут в синтетических средах с сернокислым аммонием и добавлением витаминов. Многие патогенные микробы, культивируемые на средах, содержащих кровь, асцитическую жидкость, сыворотку и т.д., можно выращивать в синтетических средах.
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 систему культивирования необходимо ввести достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном соотношении.
Вода. Для роста и размножения микроорганизмов необходимо е 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 используют 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 ферментационным 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, серии 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 питательной среде должны присутствовать фосфаты в виде неорганических одно- или двузамещенных фосфатов калия или 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, кислород, азот, 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.