Výživa mikroorganizmov

Výživa mikroorganizmov je komplexný fyziologický proces, ktorým mikroorganizmy získavajú potrebné prvky a energiu pre biosyntézu bunkových zlúčenín, pre rast, reprodukciu a udržiavanie vitálnych funkcií.

Proces výživy prebieha v bunkovom metabolizme degradačnými reakciami makromolekulárnych zlúčenín na zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa môžu transportovať do bunky, exergonickými reakciami, ktoré prebiehajú v bunkovom katabolizme. Súčasne s katabolickými reakciami pomocou živých buniek a energie syntetizuje živá bunka bunkové zlúčeniny nevyhnutné pre rast anabolizmu. Život mikrobiálnej bunky je možný, pokiaľ tieto dva procesy prebiehajú súčasne.

Bakteriálna bunka môže používať medzi 300 - 600 rôznymi typmi molekúl, z ktorých asi 50% predstavuje molekula vody a iónov. Odhaduje sa, že bez zohľadnenia molekúl vody môže kvasinková bunka použiť až 500 malých molekúl a viac ako 4000 makromolekúl.

mikroorganizmy v potravinárskom priemysle sa vyskytujú chemosyntetizujúce mikroorganizmy, ktoré získavajú svoju energiu odbúravaním organických zlúčenín uvoľňovaním potenciálnej energie z výživného substrátu, na ktorom sa vyvíjajú, pričom často dochádza k ich špecifickým zmenám. Živný substrát znamená prostredie, ktoré obsahuje vodu, zdroje energie (v prírode uhľohydrát), asimilovateľné zdroje dusíka, minerálne soli a voliteľné rastové faktory.

Druhy výživy a zdroje živín

Mikroorganizmy, ktoré môžu využívať CO2 ako svoj jediný alebo hlavný zdroj uhlíka, sa nazývajú autotrofy, na rozdiel od heterotrofov, ktoré ako zdroj uhlíka používajú preformované organické molekuly z iných organizmov. V dôsledku adaptácie mikroorganizmov na rôzne podmienky prostredia, v závislosti od dostupných zdrojov, môžu patriť do 4 typov výživy:

heterotrofné chemoorganotrofy získavajú energiu chemicky oxidačnými procesmi organických zlúčenín a získavajú kyslík a vodík z organických a anorganických zlúčenín (huby a baktérie);
autotrofné fotolitotrofy (riasy, baktérie vo vode) využívajú svetelnú energiu v procesoch biosyntézy a využívajú zdroj uhlíka, vodíka a kyslíka z anorganických zlúčenín;
heterotrofné fotolitotrofy využívať svetelnú energiu a ako hlavný zdroj uhlíka CO2 zo vzduchu (sírne baktérie);
autotrofné chemolitotrofy (sulfobaktérie, ferrobaktérie) získavajú energiu chemicky a anorganické zlúčeniny slúžia ako zdroj uhlíka a vodíka.

mikroorganizmy s rolou v potravinárskom priemysle (kvasinky, plesne a baktérie patria k prvému výživovému typu. Adaptácia uhlíka z organickej hmoty na adaptáciu na rast sú známe ako vybrané prostriedky na riadenie priemyselných fermentačných procesov, ako činidlá znehodnocovania alebo patogény. V prvom výživovom type z organotrofných mikroorganizmov sa rozlišujú tieto podskupiny:

saproorganotrofné mikroorganizmy (saprofyty) vyvíja sa s využitím neživej organickej hmoty ako zdroja uhlíka a energie. Táto kategória zahŕňa väčšinu mikroorganizmov s priemyselným využitím, ale aj hnilobné baktérie, mikroorganizmy, ktoré rastú na potravinách;
komenzálny mikroorganizmus vyvíja sa na povrchu alebo vo vnútri živých organizmov (rastlín alebo zvierat), ktoré majú úžitok z tejto asociácie a živia sa látkami, ktoré prirodzene vyplývajú z ich metabolickej aktivity. Môžeme exemplifikovať mikroorganizmy z epifytickej mikrobioty rastlín, kože, črevnej mikrobioty;
patogénne mikroorganizmy alebo parazitujúci môžu byť prísne patogénne a špecializované na kŕmenie a život parazitovaním na živých bunkách;
potenciálne patogénne mikroorganizmy môžu rásť na potravinách bohatých na živiny a za určitých podmienok môžu produkovať toxíny, ale požitím kontaminovaných potravín môže dôjsť k otrave jedom alebo toxikóze.

Preferované zdroje výživy pre organotrofné mikroorganizmy

Zdroje uhlíka

Neexistuje žiadny zdroj uhlíka, ktorý by sa nepoužíval mikrobiálne. Existujú mikroorganizmy, ktoré môžu využívať napríklad veľa zdrojov uhlíka Pseudomonas cepacia ktoré môžu využívať viac ako 100 rôznych zdrojov uhlíka, iných baktérií, napríklad rodu Letospira používajú ako hlavný zdroj C a energiu iba mastné kyseliny s veľkým počtom C v molekule.

Z prírodných zdrojov C, ktoré sa nachádzajú v potravinárskych surovinách alebo sa používajú v zložení kultivačného média, sú preferované tieto látky:

poliglucid: škrob, celulóza, pektické látky, ktoré môžu používať hlavne baktérie a mikroorganizmy produkujúce špecifické extracelulárne enzýmy;
monoglucid (hexóza, pentóza),diglucid, je zdrojom uhlíka a energie pre všetky mikroorganizmy a základným zdrojom výživy kvasníc;
organické kyseliny (kyselina mliečna, jablčná, kyselina octová) môže byť zdrojom C pre mikroorganizmy a niektoré kvasinky;
alkoholy sú používané oxidačnými kvasinkami (napr. Candida, napr. Pichia) a baktériami (napr. Acetobacter).

Pretože uhlík je max. 50% sušiny bunky v zložení kultivačného média sa počíta ako množstvo pridanej živiny (v závislosti od molekulovej hmotnosti a obsahu uhlíka), aby sa získalo vhodné množstvo biomasy.

Živiny s N, P, S

Pre rast mikroorganizmy vyžadujú veľké množstvo dusíka, fosforu a síry a organotrofy ich môžu získavať buď zo zdrojov organického uhlíka alebo z anorganických zlúčenín. Je známe, že dusík (10 - 14% sušiny bunky) je nevyhnutný pre syntézu aminokyselín, purínov, puridínov, niektorých lipidov, koenzýmov. Mnoho mikroorganizmov môže využívať dusík z aminokyselín a amoniaku priamym zabudovaním pomocou enzýmov. Niektoré baktérie môžu redukovať a asimilovať atmosférický dusík pomocou systému Nitasease a majú zásadnú úlohu pri zabezpečovaní prirodzeného obehu dusíka.

Bielkoviny môžu byť použité vo výžive iba mikroorganizmami, ktoré produkujú extracelulárne proteázy, respektíve baktérie - hnilobné látky a plesne - hnilobné látky. Môžu sa tiež použiť v kultivačných médiách pre kvasinky - síran amónny a močovina. Ostatné zlúčeniny, ako napríklad dusičnany, sú asimilované plesňami a baktériami, dusitany iba baktériami (napr. Nitrosomonas) a s toxickým účinkom na kvasinky (množenie sa zastaví pri koncentráciách 200 mg dusičnanov/dm 3).

Minerálna výživa

Pri získavaní vedľajších prvkov mikroorganizmy uprednostňujú svoje soli v nasledujúcom poradí: fosfáty, sírany, dusičnany, uhličitany. Účinok pridania rôznych minerálnych látok na rast sa môže líšiť podľa špecifického indexu užitočnosti, ktorý predstavuje pomer medzi biomasou vytvorenou v kompletnom kultivačnom médiu a výsledkom, ktorý má za následok nedostatok prostredia v príslušnej látke/prvku.

Faktory rastu

Rastové faktory sú organické látky, ktoré sú nevyhnutné pre mikrobiálny rast a ktoré daný mikroorganizmus nemôže syntetizovať. Podľa výživových požiadaviek mikroorganizmov zahrnutých do prvého typu výživy možno dosiahnuť určitú postupnosť; nutrične najnáročnejšie sú grampozitívne baktérie, nasledujú gramnegatívne baktérie a kvasinky a plesne.

Rastové faktory ako metabolická štruktúra a funkcia spadajú do nasledujúcich 3 kategórií:

aminokyseliny sú potrebné na syntézu bielkovín/enzýmov;
puríny a pyrimidíny, na syntézu nukleových kyselín;
vitamíny, ktoré fungujú ako protetické skupiny enzýmov alebo ako koenzýmy.

V závislosti od povahy mikroorganizmov sa potreba aminokyselín pohybuje medzi 0 a 18 aminokyselinami.

Z mikroorganizmov v potravinárskom priemysle sú to kvasinky rodu Saccharomyces vyžaduje biotín a kyselinu paraaminobenzoovú, mliečne baktérie rodu Lactobacillus vyžaduje kyselinu listovú, kyselinu nikotínovú, biotín, vitamín B, pyridoxín, octové baktérie vyžadujú kyselinu p-aminobenzoovú a Enteracoccus faecales potrebuje 8 rôznych vitamínov pre rast.

Existuje tiež malá skupina látok nazývaných rastové stimulanty, ktoré bez toho, aby boli nevyhnutné, ich prítomnosť urýchľuje rýchlosť bunkového rastu.

Poznanie kultivačných podmienok a výživových požiadaviek každého mikroorganizmu má veľký význam tak v laboratórnej praxi, ako aj v priemyselnom pestovaní, pretože umožňuje reguláciu fyziologickej aktivity buď v smere získavania biomasy, alebo metabolických produktov ekonomického významu.

Spôsoby transportu živín v mikrobiálnej bunke

Na uskutočnenie procesu výživy je nevyhnutné, aby sa živiny dostali do bunky, aby sa mohli metabolizovať. Malomolekulové rozpustné živiny môžu vstúpiť do mikrobiálnej bunky rôznymi spôsobmi. Jedným z najbežnejších spôsobov je penetrácia difúziou, a to:

pasívna difúzia je difúzia, ku ktorej dochádza v dôsledku koncentračného gradientu, ktorá je možná, keď je koncentrácia živiny mimo bunky vyššia ako vo vnútri bunky. Prostredníctvom určitých pórov plazmatickej membrány vstupuje živina do vnútra a je metabolizovaná.
uľahčenie šírenia sa dosahuje vďaka prítomnosti receptorových proteínov nazývaných permeázy v biomembránach, ktoré sa nachádzajú v plazmalemme alebo v periplazmatickom priestore. Permeát rozpoznáva a viaže rozpustnú molekulu vody zmenou jej konformácie a uvoľňuje ju vo vnútri bunky. Potom sa vráti do svojej polohy obrátenej k vonkajšej strane plazmatickej membrány a je pripravená prijať novú molekulu. Tento proces môže prebiehať, pokiaľ je koncentrácia molekúl živín vyššia mimo bunky ako vo vnútri.

Uľahčená difúzia je dôležitejšia v eukaryotických bunkách na transport aminokyselín a uhľohydrátov, zatiaľ čo v prokaryotoch sa používa na transport glycerolu.

Mikroorganizmy sa často vyskytujú v biotopoch, kde je obsah živín taký nízky, že ich transport a koncentrácia v bunke sú dôležité pre rast. V tejto situácii sa transport uskutočňuje proti normálnemu gradientu koncentrácie so spotrebou energie aktívnym transportom a skupinovou translokáciou.

Aktívna preprava - transport v bunke je zabezpečený aj pri absencii koncentračného gradientu a je vykonávaný so spotrebou energie. Transport sa aktivuje v dôsledku energie uvoľnenej transformáciou ATP na ADP.

Skupinová translokácia - je aktívny transport nachádzajúci sa v kvasinkách a plesniach, do ktorého zasahuje komplexný enzymatický systém transferáz, ktoré umožňujú penetráciu sacharidov cez membrány vo forme esterov fosforečných. Bunky sa môžu meniť s vonkajším prostredím nielen s iónmi a sacharidmi, ale aj s makromolekulárnymi zloženými sacharidmi.

Napríklad baktérie môžu vylučovať proteíny procesom exocytózy. Je tiež možné, aby také makromolekuly vstupovali do bunky prostredníctvom procesov endocytózy.

Kultúrne médiá

Kultivačné médium je komplexný výživný substrát s úlohou potravy, ktorý musí poskytnúť mikroorganizmom, ktoré sa majú kultivovať, potrebné množstvo vody, zdroje uhlíka, dusík, minerály, rastové faktory, látky, ktoré poskytujú dané množstvo energie, ako aj všetkých prvkov, ktoré bunka používa v procesoch rastu, reprodukcie a udržiavania životných funkcií.

Kultivačné médium musí spĺňať nasledujúce podmienky:

zodpovedať nutrične;
mať koncentráciu látky rozpustenú v médiu, ktorá nemá nepriaznivý vplyv na osmotické výmeny bunky;
neobsahujú toxické látky ani nevytvárajú toxické zlúčeniny v dôsledku rastu mikrobiálnej kultúry;
mať určité pH alebo rH;
byť sterilný, aby sa z neho nevyvinuli iba bunky zavedené cez inokulum.

V laboratórnej praxi sa kultivačné médiá používajú na izoláciu rôznych mikroorganizmov z prírodných prostredí na získanie čistých kultúr, na ich kultiváciu za účelom získania biomasy alebo na udržiavanie vybraných čistých kultúr. Na priemyselné účely sa kultivačné médiá používajú na získanie buniek alebo zlúčenín, ktoré sú výsledkom aktivity vybraných mikroorganizmov. V závislosti od miesta určenia sa kultivačné médiá rozlišujú takto:

Všeobecné kultúrne médiá ktorý zaisťuje vývoj veľkého množstva druhov a rodov, pretože do svojho zloženia zahŕňajú diverzifikované živiny.

Z bežných kultivačných médií používaných v praxi mikrobiologického laboratória uvádzame:

tekutý alebo agarizovaný mäsový vývar (BCA);
tryptónové médium - kvasnicový extrakt - glukóza - agar;
sladový agarový mušt (MMA) na kultiváciu kvasiniek a plesní;

Selektívne kultivačné médiá sú médiá s definovaným chemickým zložením, ktoré umožňujú vývoj malej skupiny mikroorganizmov alebo dokonca druhov. Tieto médiá obsahujú okrem živín a látok s inhibičným účinkom aj na ďalšie sprievodné mikroorganizmy nachádzajúce sa v mikrobiote, z ktorých je izolovaná kultúra, ktorú chceme vybrať.

Selektívnym médiom používaným na stanovenie koliformných baktérií je BLBV (vývar - žlč - laktóza - jasne zelená), v ktorom žlčové soli inhibujú iné baktérie, zatiaľ čo koliformné baktérie sú prispôsobené. Počet selektívnych médií je veľmi veľký a umožňuje izoláciu druhov priemyselného záujmu alebo sa používajú na identifikáciu, stanovenie kontaminujúcich mikroorganizmov v potravinách.

Diferenciačné kultivačné médiá - tieto prostredia umožňujú separáciu druhov podľa určitých biochemických charakteristík, ak boli vybrané z heterogénnej mikrobioty.

Obohacovacie prostredia (obohatené) sú určené na separáciu a kultiváciu mikroorganizmov náročných na výživu, ktoré sú v produkte analyzovanom z mikrobiologického hľadiska v malom množstve.

V závislosti od zloženia a pôvodu môžu byť kultivačnými médiami prírodné médiá a syntetické médiá.

Prírodné prostredie sú najpoužívanejšie, pretože reprodukujú podmienky, v ktorých sa vyvíjajú mikroorganizmy. Prirodzené prostredie rastlinného pôvodu sú ovocné džúsy, zelenina, sladová sladina, varená/kaša, ovocie, bylinné nálevy.

Ako sterilizátory živočíšneho pôvodu sa používajú po sterilizácii mlieko, krv (pre fakultatívne patogénne baktérie), srvátka, mäso, mäsový vývar, pečeň, vajcia.

V laboratórnych podmienkach sa používajú obe kvapalné médiá, najmä na kultiváciu fakultatívnych anaeróbnych mikroorganizmov, na štúdium fermentačných procesov, pevných médií - chlieb, plátky zemiakov atď. a často stuhnuté médium získané pridaním stužujúcich látok do kvapalného média.

Na spevnenie kultivačného média sa používa:

agar - agar (agar) diglucid získaný z rias rodu Gelidium, ktorý má vo svojej štruktúre molekuly galaktózy a kyseliny D - galakturónovej spojené 1,2,1,3 glykozidickými väzbami. V prečistenom stave je vo forme prášku alebo vlákien a pridá sa 0,5 - 2% kvapalného média.
želatína tuhnúce činidlo proteínovej povahy, extrahované z organických tkanív. Používa sa v množstve 12 - 15 g% .

Okrem opísaných médií, ktoré je možné pripraviť v laboratórnych podmienkach, sa veľa spoločností špecializuje na výrobu kultivačných médií, ktoré je možné dodávať v rôznych formách. Ide teda o hotové alebo práškové médiá, ktoré sa dajú rekonštituovať podľa receptúry a majú dlhú trvanlivosť.

Fermentačné médiá sú priemyselné kultivačné médiá určené na produkciu veľkého množstva buniek alebo na získanie metabolických produktov s ekonomickou hodnotou.

Rozmanitosť kultivačného média je tiež spôsobená schopnosťou adaptovať mnoho mikroorganizmov nachádzajúcich sa v prírodných biotopoch a skutočnosťou, že zmenou zloženia kultivačného média možno dosiahnuť vyššie výnosy v produktoch mikrobiálneho metabolizmu s ekonomickou hodnotou.

Kultivačné médiá sa často používajú v laboratórnych mikrobiologických technikách na izoláciu, kultiváciu a udržiavanie čistých kultúr a na mikrobiologickú kontrolu potravín.