Хранене на микроорганизми

Хранене на микроорганизми е сложен физиологичен процес, чрез който микроорганизмите набавят необходимите елементи и енергия за биосинтеза на клетъчни съединения, за растеж, размножаване и поддържане на жизнените функции.

Процесът на хранене протича в клетъчния метаболизъм чрез реакции на разграждане на макромолекулни съединения в съединения с ниско молекулно тегло, които могат да бъдат транспортирани вътре в клетката, ексргонични реакции, протичащи в клетъчния катаболизъм. Едновременно с реакциите на катаболизъм, използвайки прости съединения и енергия, живата клетка синтезира клетъчни съединения, необходими за растежа при анаболизма. Животът на микробната клетка е възможен, докато двата процеса протичат едновременно.

Бактериалната клетка може да използва между 300-600 различни видове молекули, от които около 50% са представени от молекулата на водата и йоните. Изчислено е, че без да се вземат предвид водните молекули, дрождената клетка може да използва до 500 малки молекули и над 4000 макромолекули.

микроорганизми срещани в хранителната промишленост са хемосинтезиращи микроорганизми и получават тяхната енергия чрез разграждане на органични съединения с освобождаване на потенциална енергия на хранителния субстрат, върху който се развива, често давайки специфичните си промени. Хранителният субстрат означава околната среда, която съдържа вода, енергийни източници (въглехидратни в природата), асимилируеми източници на азот, минерални соли и незадължителни растежни фактори.

Хранителни видове и хранителни източници

Микроорганизмите, които могат да използват CO2 като единствен или основен източник на въглерод, се наричат автотрофи, за разлика от хетеротрофите, които използват предварително получени органични молекули от други организми като техен източник на въглерод. В резултат на адаптацията на микроорганизмите към различни условия на околната среда, в зависимост от достъпните източници, те могат да принадлежат към 4 хранителни типа:

хетеротрофни хемоорганотрофи те получават енергията си химически, чрез процеси на окисляване на органични съединения и набавят кислород и водород от органични и неорганични съединения (гъби и бактерии);
автотрофни фотолитотрофи (водорасли, бактерии във вода) използват светлинна енергия в процесите на биосинтез и използват източника на въглерод, водород и кислород от неорганични съединения;
хетеротрофни фотолитотрофи използвайте светлинна енергия и като основен източник на въглерод, CO2 от въздуха (сярна бактерия);
автотрофни хемолитотрофи (сулфобактерии, феробактерии) получават енергията си по химичен път, а неорганичните съединения служат като източник на въглерод и водород.

микроорганизми с роля в хранителната промишленост (дрожди, плесени и бактерии принадлежат към първия хранителен тип. Приспособени да растат чрез усвояване на въглерод от органични вещества са известни като избрани агенти за насочване на индустриалните ферментационни процеси, като развалящи агенти или патогени. В първия хранителен тип на органотрофните микроорганизми се разграничават следните подгрупи:

сапроорганотрофни микроорганизми (сапрофити) развива се, използвайки нежива органична материя като източник на въглерод и енергия. Тази категория включва повечето микроорганизми с промишлено приложение, но също така и гнилостни бактерии, микроорганизми, които растат върху храната;
коменсален микроорганизъм тя се развива на повърхността или вътре в живите организми (растения или животни), които се възползват от тази асоциация и се хранят с вещества, които са естествено резултат от тяхната метаболитна активност. Можем да илюстрираме микроорганизмите от епифитната микробиота на растенията, кожата, чревната микробиота;
патогенни микроорганизми или паразитен те могат да бъдат строго патогенни, като са специализирани за хранене и живот чрез паразитиране на живата клетка;
потенциално патогенни микроорганизми може да расте върху храни, богати на хранителни вещества и може да произвежда токсини при определени условия, но поглъщането на заразена храна може да доведе до хранително отравяне или токсикоза.

Предпочитани източници на хранене за органотрофни микроорганизми

Източници на въглерод

Няма източник на въглерод, който да не се използва микробно. Има микроорганизми, които могат да използват много източник на въглерод, например Pseudomonas cepacia които могат да използват над 100 различни източника на въглерод, други бактерии, например от рода Летоспира те използват като основен източник на С и енергия само мастните киселини с голям брой С в молекулата.

Сред естествените източници на С, открити в хранителни суровини или използвани в състава на хранителни среди, се предпочитат следните:

полиглуцид: нишесте, целулоза, пектинови вещества, които могат да се използват главно от бактерии и микроорганизми, произвеждащи специфични извънклетъчни ензими;
моноглюцид (хексоза, пентоза),диглуцид, е едновременно източник на въглерод и енергия за всички микроорганизми и основен източник на хранене с дрожди;
органични киселини (млечна киселина, ябълчена киселина, оцетна киселина) може да бъде източник на С за микроорганизми и някои дрожди;
алкохоли се използват от окислителни дрожди (g. Candida, g. Pichia) и бактерии (g. Acetobacter).

Тъй като въглеродът е макс. 50% от сухото вещество на клетката в състава на хранителната среда се изчислява количеството хранително вещество, което трябва да се добави (в зависимост от молекулното тегло и съдържанието на въглерод), за да се получи подходящо количество биомаса.

Хранителни вещества с N, P, S

За растеж микроорганизмите изискват големи количества азот, фосфор и сяра, а органотрофите могат да ги набавят или от източници на органичен въглерод, или от неорганични съединения. Известно е, че азотът (10-14% от сухото вещество на клетката) е необходим за синтеза на аминокиселини, пурини, пуридини, някои липиди, коензими. Много микроорганизми могат да използват азот от аминокиселини и амоняк чрез директно включване, с помощта на ензими. Някои бактерии могат да намалят и асимилират атмосферния азот с помощта на нитрогеназна система и да играят жизненоважна роля за осигуряване на естествената азотна верига.

Протеините могат да се използват в храненето само от микроорганизми, които произвеждат извънклетъчни протеази, съответно бактерии - гниещи агенти и плесени - гниещи агенти. Те могат да се използват и в дрождни културни среди - амониев сулфат и карбамид. Други съединения като нитрати се усвояват от плесени и бактерии, а нитритите само от бактерии (напр. Нитрозомонада) и с токсичен ефект върху дрожди (размножаването се спира при концентрации от 200 mg нитрати/dm 3).

Минерално хранене

За набавянето на второстепенни елементи микроорганизмите предпочитат техните соли в следната последователност: фосфати, сулфати, нитрати, карбонати. Ефектът от добавянето на различни минерални вещества върху растежа може да бъде различен от специфичния индекс на полезност, който представлява съотношението между биомасата, образувана върху пълна хранителна среда, и това, което води до дефицит на околната среда в съответното вещество/елемент.

Фактори на растежа

Растежните фактори са органични вещества, които са от съществено значение за микробния растеж и не могат да бъдат синтезирани от този микроорганизъм. Според хранителните изисквания на микроорганизмите, включени в първия тип хранене, може да се установи определена последователност; най-взискателните към хранителна стойност са грам-положителни бактерии, последвани от Грам-отрицателни бактерии и дрожди и плесени, съответно.

Растежните фактори като структура и метаболитна функция попадат в следните 3 категории:

аминокиселините са необходими за синтеза на протеин/ензим;
пурини и пиримидини за синтез на нуклеинови киселини;
витамини, които функционират като протезни групи ензими или като коензими.

В зависимост от естеството на микроорганизмите, нуждата от аминокиселини варира между 0 и 18 аминокиселини.

Сред микроорганизмите в хранителната промишленост са дрождите от рода Saccharomyces изисква биотин и парааминобензоена киселина, млечнокисели бактерии от рода Лактобацилус изисква фолиева киселина, никотинова киселина, биотин, витамин В, пиридоксин, оцетните бактерии изискват р-аминобензоена киселина и Enteracoccus еaecales се нуждае от 8 различни витамини за растеж.

Съществува и малка група вещества, наречени стимулиращи растежа фактори, които, без да са необходими, тяхното присъствие ускорява скоростта на клетъчен растеж.

Познаването на условията на култивиране и хранителните нужди на всеки микроорганизъм е от голямо значение както в лабораторната практика, така и в индустриалното отглеждане, защото позволява регулиране на физиологичната активност или в посока на получаване на биомаса, или на метаболитни продукти с икономическо значение.

Начини за транспортиране на хранителни вещества в микробната клетка

За да се осъществи хранителният процес, е задължително хранителните вещества да влязат в клетката, за да се метаболизират. Разтворимите хранителни вещества с малки молекули могат да влязат в микробната клетка по различни начини. Един от най-често срещаните начини е проникването чрез дифузия, а именно чрез:

пасивна дифузия е дифузията, която възниква в резултат на градиент на концентрация, възможна, когато концентрацията на хранителното вещество извън клетката е по-висока, отколкото вътре в клетката. Чрез определени пори на плазмената мембрана хранителното вещество навлиза във вътрешността и се метаболизира.
улеснено разпространение се постига поради наличието в биомембраните на рецепторни протеини, наречени пермеази, разположени в плазмалемата или в периплазменото пространство. Пермеатът разпознава и свързва разтворимата молекула на водата, като променя нейната конформация и я освобождава вътре в клетката. След това той възстановява позицията си към външната страна на плазмената мембрана и е готов да поеме нова молекула. Този процес може да протече, докато концентрацията на хранителни молекули е по-висока извън клетката, отколкото вътре.

Улеснената дифузия е по-важна в еукариотните клетки за транспорта на аминокиселини и въглехидрати, докато в прокариотите се използва за транспортиране на глицерол.

Микроорганизмите често се срещат в местообитания, където съдържанието на хранителни вещества е толкова ниско, че транспортът и концентрацията им в клетката са важни за растежа. В тази ситуация транспортът се извършва спрямо нормалния градиент на концентрация, с консумация на енергия, чрез активен транспорт и групова транслокация.

Активен транспорт - транспортът в клетката се осигурява дори при липса на градиент на концентрация и се извършва с консумация на енергия. Транспортът се активира в резултат на освободената енергия чрез трансформиране на АТФ в АДФ.

Групова транслокация - е активен транспорт, открит в дрожди и плесени, в които се намесва сложна ензимна система от трансферази, които позволяват проникването на въглехидрати през мембраните под формата на фосфорни естери. Клетките могат да обменят с външната среда не само йони и въглехидрати, но и високомолекулни съединения въглехидрати.

По този начин бактериите например могат да отделят протеини чрез процес на екзоцитоза. Възможно е също такива макромолекули да навлязат в клетката чрез процеси на ендоцитоза.

Културни медии

Културната среда е сложен хранителен субстрат с ролята на храната, която трябва да осигури на микроорганизма, който се култивира, необходимото количество вода, източници на въглерод, азот, минерали, растежни фактори, вещества, които осигуряват количеството енергия, както и всички елементи, използвани от клетката в процесите на растеж, размножаване и поддържане на жизнените функции.

Културната среда трябва да отговаря на следните условия:

да отговарят хранително;
имат концентрация на веществото, разтворено в средата, което не влияе неблагоприятно на осмотичния обмен на клетката;
да не съдържат токсични вещества или да генерират токсични съединения поради растежа на микробната култура;
имат определено рН или rH;
да бъде стерилен, така че да не се развиват само клетки, въведени чрез инокула.

В лабораторната практика хранителните среди се използват за изолиране от естествена среда на различни микроорганизми за получаване на чисти култури, за отглеждането им с цел получаване на биомаса или за поддържане на избрани чисти култури. За промишлени цели хранителните среди се използват за получаване на клетки или съединения, получени в резултат на активността на избрани микроорганизми. В зависимост от местоназначението си, културните среди се разграничават, както следва:

Общокултурни медии което осигурява развитието на голям брой видове и родове, защото те включват в състава си разнообразни хранителни вещества.

Сред общите културни среди, използвани в практиката на микробиологичната лаборатория, споменаваме:

течен или агаризиран месен бульон (BCA);
триптонова среда - екстракт от мая - глюкоза - агар;
малцова - агарова мъст (ММА) за отглеждане на дрожди и плесени;

Селективни културни медии са среди с дефиниран химичен състав, които позволяват развитието на малка група микроорганизми или дори вид. Тези среди съдържат освен хранителни вещества и вещества с инхибиторен ефект върху други придружаващи микроорганизми, открити в микробиотата, от която е изолирана културата, която искаме да изберем.

Селективна среда, използвана за определяне на колиформни бактерии, е BLBV (бульон - жлъчка - лактоза - ярко зелено), в която жлъчните соли инхибират други бактерии, докато колиформите са адаптирани. Броят на селективните среди е много голям и позволява изолирането на видове от индустриален интерес или се използват за идентификация, определяне на замърсяващи микроорганизми в храните.

Културни медии за диференциация - тези среди позволяват разделянето на видовете според определени биохимични характеристики, когато са избрани от хетерогенна микробиота.

Обогатителна среда (укрепена) са предназначени за отделяне и отглеждане на микроелементи, изискващи хранителни вещества, които присъстват в малък брой в микробиологично анализирания продукт.

В зависимост от състава и произхода, културната среда може да бъде естествена среда и синтетична среда.

Природна среда те са най-използвани, защото възпроизвеждат условията, в които се развиват микроорганизми. Естествената среда от растителен произход са плодови сокове, зеленчуци, малцова мъст, варени/каши зеленчуци, плодове, билкови настойки.

Като животински среди се използват след стерилизация, мляко, кръв (за патогенни бактерии), суроватка, месо, бульон от месо, черен дроб, яйца.

В лабораторни условия се използват и двете течни среди, особено за култивиране на факултативни анаеробни микроорганизми, за изследване на ферментативни процеси, твърди среди - хляб, картофени филийки и др. и често втвърдени среди, получени чрез добавяне на втвърдяващи агенти към течната среда.

За втвърдяване на хранителната среда се използва:

агар - агар (агар) диглуцид, получен от водорасли от рода Gelidium, имащи в структурата си молекули галактоза и D - галактуронова киселина, свързани с 1,2,1,3 гликозидни връзки. В пречистено състояние се представя под формата на прах или влакна и се добавя 0,5 - 2% течна среда.
желатин втвърдяващ агент с протеинова природа, извлечен от органични тъкани. Използва се в количество 12 - 15 g% .

В допълнение към описаните медии и които могат да бъдат приготвени в лабораторни условия, много компании се специализират в производството на културни среди, които могат да бъдат доставени под различни форми. По този начин те са готови или прахообразни среди, които могат да бъдат възстановени съгласно рецептата и да имат дълъг срок на годност.

Ферментативните среди са среди за индустриална култура, предназначени за производството на големи количества клетки или за получаване на метаболитни продукти с икономическа стойност.

Разнообразието от културни среди се дължи и на способността да се адаптират много микроорганизми, намиращи се в естествените местообитания, и на факта, че чрез промяна на състава на културните среди могат да се постигнат по-високи добиви в микробни метаболитни продукти с икономическа стойност.

Културните среди често се използват в лабораторни микробиологични техники, за изолиране, отглеждане и поддържане на чисти култури и за микробиологичен контрол на храните.