Учебник

5.1. Состав питательной среды

Состав питательной среды должен быть оптимальным, так как это определяет размножение, рост микроорганизмов и синтез различных БАВ. Питательные среды могут быть сложными, включающими до 50 компонентов и более, и достаточно простыми, содержащими не более 5 компонентов.

Назначение питательных сред:

поддержание оптимальных для роста клеток физико-химических условий (рН, еН, рО₂, рСО₂, и т.д.);

обеспечение клеток питательными веществами для синтеза биомассы и других продуктов жизнедеятельности. Понятие «среда для культивирования» включает не только определенный качественный и количественный состав компонентов или отдельных элементов, необходимых для конструктивного и энергетического обмена организма (источники азота, углерода, фосфора, ряда микроэлементов, витамины, ростовые вещества), но и физико-химические и физиологические факторы (кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, температура, аэрация и др.). Все эти факторы играют существенную роль в развитии микроорганизмов и в проявлении ими отдельных физиологических и биохимических функций. Обычно изменение одного из этих факторов среды влечет изменение других. Значительного повышения выхода нужного продукта, образуемого микроорганизмами, достигают, используя методы математического расчета соотношения компонентов субстрата и их свойства. Питательные среды принято делить на две группы:

1) среды, требующие внесения 5-20% природных сывороток (из крови человека или эмбриональных экстрактов крупного рогатого скота);

2) синтетические химические среды определённого состава.

Качественная характеристика компонентов питательной среды

Основу питательных сред составляют смеси аминокислот, пуринов, пиримидинов, участвующих в синтезе белков и нуклеиновых кислот.

Сыворотки (эмбриональная сыворотка крови, лошадиная сыворотка или очищенный экстракт куриных эмбрионов), их высокомолекулярные фракции (а-, Р-глобулины) предохраняют клетки от повреждения и стимулируют синтез ДНК. Синтез последних индуцируют и ростовые факторы (митогены) - вещества пептидной природы. В качестве источника углерода и энергии используется глюкоза или ее комбинации с аспарагиновой или молочной кислотами. Для развития микроорганизмов необходимы витамины жиро- и водорастворимые. Жизнедеятельность микроорганизмов невозможна без наличия в цитоплазме клеток и окружающей среде неорганических соединений, содержащих такие элементы, как фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо, марганец, цинк, медь, молибден и др. Микро- и макроэлементы входят в состав ферментов, участвуют в поддержании необходимого осмотического давления и значения рН, буферной ёмкости (фосфатно-бикарбонатные буферы) или регулируют гидрофильность цитоплазмы клетки.

Фосфор входит в состав важнейших соединений клетки - нуклеопротеидов, нуклеиновых кислот, полифосфатов, фосфолипидов.

Соединения серы участвуют в энергетических процессах клетки, входят в состав многих физиологически активных соединений (белок и простетические группы (-SН) некоторых ферментов и коэнзима А). Без серы невозможен полноценный синтез белка, нарушаются процессы обмена. Обычно источником серы служат неорганические сульфаты, поэтому для включения серы в состав белков или витаминов сульфат должен быть восстановлен с помощью ферментов (сульфитредуктазы, сульфурилазы, пирофосфатазы). Наиболее важным серосодержащим компонентом клетки является аминокислота цистеин.

Калий в организме выполняет, прежде всего, каталитическую роль, выступая в качестве активатора некоторых ферментов (амилазы, инвертазы), способствуя увеличению гидратации цитоплазмы клетки.

Ионы кальция регулируют активную кислотность (рН среды), выступают в качестве реагента, связывающего остатки фосфорной кислоты.

Основная функция магния - активация ферментов, необходимых Для нормального обмена веществ и роста микроорганизмов.

Микроэлементы (железо, медь, цинк, марганец, молибден, кобальт и др.) входят в состав ферментов, участвующих в процессах метаболизма и внутриклеточного обмена. Каталитическая активность микроэлементов возрастает во много раз, когда ионы металлов соединяются с молекулами органических веществ и образуют органоминеральные комплексы (хелаты). Железо входит в состав ферментов-активаторов кислорода — системы цитохромов. Медь в сочетании со специфическими белками образует ряд ферментных систем (полифенолксидазы, ас-карбинооксидазы, нитратредуктазы, альдегидоксидазы и др.) Цинк участвует в построении фосфатаз, эналаз, полипептидаз, регулирующих углеводный, азотистый, фосфатный обмены ряда организмов, в окислительно-восстановительных процессах. Составной частью многих ферментных систем (карбоксилаз, протеиназ, фосфорилаз) является марганец, так фосфорилазы участвуют в переносе фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата. Определенное влияние на различные стороны метаболизма микроорганизмов и особенно антибиотиков оказывает кобальт.

Среда содержит также небольшие концентрации антибиотиков для поддержания асептических условий.

Перечисленные компоненты достаточно дороги, поэтому при крупномасштабном производстве прежде всего углеводы заменяют более доступными по стоимости продуктами крахмалопаточного производства (мелассой, гидролом, кукурузным экстрактом, соевой мукой, свекловичным жомом).

Незаменимым элементом питательных сред является вода, которая составляет единую систему с элементами клетки. Вода-растворитель способствует проникновению в клетку необходимых веществ и выводу из нее продуктов обмена. В клетках вода находится и в виде соединений с углеводами, белками и другими веществами, тесно взаимодействуя с макромолекулами клетки. Гидратирование и дегидратирование органических молекул — важнейший этап в превращении химических компонентов цитоплазмы. Вода участвует в реакциях гидролиза и конденсации, поддерживает объёмную структуру клетки при наличии гидростатического давления.

Для питательных сред используют специально подготовленную воду. Очистка воды проходит 4 стадии:

1) удаление механических загрязнений на префильтре (пористое стекло, электрокоагуляция);

2) очистка от органических загрязнений (активированный уголь);

3) деионизация с использованием ионообменных смол (катиониты, аниониты);

4) стерилизация на мембранных фильтрах с размером пор от 0,22 до

0,45 мкм.

Для стерилизации питательных сред используют термическую стерилизацию (пар под давлением) и стерилизующую фильтрацию. Цель стерилизации питательных сред - разрушение бактериальных спор. Многие компоненты питательных сред (витамины, гормоны и другие БАВ) крайне чувствительны к длительному температурному воздействию, поэтому установлены специальные режимы периодической и непрерывной термической стерилизации питательных сред. Стерилизующая фильтрация предполагает использование мембранных фильтрующих элементов.

Содержание