ПОТРЕБНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ В СВЯЗИ С ОСОБЕННОСТЯМИ ИХ ОБМЕНА

В зависимости от способности микроорганизмов использовать для биосинтеза веществ клетки углекислоту в качестве единствен­ного источника углерода различают гетеротрофный и автотрофный способы существования.

Гетеротрофные микроорганизмы

Гетеротрофы — это микроорганизмы, которые не могут ис­пользовать углекислоту в качестве единственного источника угле­рода и нуждаются в готовых органических веществах. Гетеротрофы сильно различаются как по потребностям в источниках питания для построения веществ клетки (конструктивный обмен), так и по способам получения энергии (энергетический обмен).

Конструктивный обмен гетеротрофов. Многие ге­теротрофные микроорганизмы для синтеза веществ клетки могут довольствоваться одним или двумя безазотистыми органическими соединениями: сахарами, спиртами, органическими кислотами и др. Наименее требовательные из них, обладающие высокими синтетическими способностями, обходятся одноуглеродными со­единениями, такими как, например, муравьиная кислота.

Для построения азотсодержащих веществ клетки такие мик­роорганизмы используют азот минеральных солей и не нуждают­ся в готовых аминокислотах. Их можно культивировать на син­тетических средах, составленных из сравнительно небольшого чис­ла веществ известного состава. Наиболее универсальным источ­ником азота для таких микроорганизмов являются аммонийные соли. Однако аммонийные соли сильных кислот, как NH₄C1 или (NH₄)₂S04, имеют тот недостаток, что по мере использования иона аммония в среде накапливается соответствующая кислота, и среда подкисляется. Это физиологически кислые соли. Развитие микро­организмов, не выносящих подкисления, при этом угнетается, поэ­тому таким микроорганизмам лучше давать аммонийные соли ор­ганических кислот, которые не так сильно подкисляют среду. Очень удобно вносить в среды соли, в которых микроорганизмом используются оба компонента. В этом случае подкисления может не происходить. Примером такой соли служит янтарнокислый ам­моний. Свободный аммиак вводят в среды в качестве источника азота реже, так как он создает сильно щелочные условия. Ряд микроорганизмов могут использовать азот гетероциклических сое­динений, предварительно разлагая эти соединения с выделением нзота в основном в виде аммиака. Многие микроорганизмы ис­пользуют азот нитратов. Они вначале восстанавливают его до NH₂, а затем ассимилируют. При использовании иона N0₃ остает­ся К⁺ или Na⁺, которые подщелачивают среду. Нитраты — физио­логически щелочные соли. Нитриты для многих бактерий токсичны

60

и в среды включаются редко. Существуют микроорганизмы, спо­собные строить азотсодержащие вещества клетки, используя моле­кулярный азот (N₂). Это — азотфиксаторы. В среды для культи­вирования свободноживущих азотфиксаторов не вносят соедине­ния азота. Снабжение этих микроорганизмов газообразным азотом осуществляется благодаря соприкосновению среды с воздухом или культивированию в атмосфере азота.

Многие гетеротрофы нуждаются в одном или нескольких го­товых витаминах, и прежде всего в витаминах группы В. С другой стороны, есть микроорганизмы, которые могут сами синтезировать все необходимые им витамины из веществ среды.

Кроме углерода, азота и витаминов, микроорганизмам для по­строения веществ клетки требуются, как уже указывалось, фос­фор, сера и ряд других элементов. В натуральных средах эти эле­менты почти всегда присутствуют в необходимых количествах. В синтетические среды их вводят в основном в форме минераль­ных солей. Фосфор вносят в виде калиевых или натриевых солей фосфорной кислоты. Источником серы чаще всего являются суль­фаты, обычно MgSO4. Эта соль служит одновременно и источ­ником магния. Однако некоторые микроорганизмы не могут вос­станавливать S02₄^— и нуждаются в готовой сульфгидрильной груп­пе. Источником натрия и хлора является NaCl, кальция — СаСОз или СаС1₂. Железо добавляют окисное или закисное в ви­де хлоридов или сульфатов. Для того чтобы железо в щелочных условиях не выпадало в осадок с образованием нерастворимого Fe(OH)₃, в среду нередко вносят лимонную кислоту, образую­щую с железом растворимый комплекс. Вместо цитрата можно пользоваться трилоном Б (ЭДТА — этилендиаминтетраацетат) — 0,001 — 1 г/л, или гексаметафосфатом — 4 г/л. Комплексы, обра­зуемые этими соединениями с катионами, служат резервом, из ко­торого в результате диссоциации в раствор поступают свободные катионы, используемые микроорганизмами.

Микроэлементы вносят обычно в виде солей: CuS0₄, Co(N0₃)₂, MnS0₄, K₂Mo0₄, ZnS0₄ и т. д. Среды часто готовят на водопроводной воде. Если исследуемый микроорганизм не отли­чается повышенными требованиями к микроэлементам, последние в среду специально не добавляются, так как всегда содержатся в некоторых количествах в водопроводной воде и могут поступать в среду из стекла посуды. Для приготовления строго синтетичес­ких сред, как уже указывалось, используют дистиллированную во­ду. В этом случае требуется внесение микроэлементов. Обычно го­товят раствор, содержащий смесь необходимых микроэлементов, концентрации которых во много раз превышают требуемые. На­пример, в 1 л подкисленной дистиллированной воды (950 мл во­ды + 50 мл концентрированной НСП растворяют (мкг): Н₍В0₃— 100; ZnS0₄-7H₂0 — 100; Co(N0₃)₂-6H₂0 — 50; CuS0₄-5H₂0 -5; MnCl₂-4H₂0 — 5; FeCl₃-6H₂0 — 500 и СаС1₂ — 100 мг. Ра­створ стерилизуют и в необходимом количестве стерильно вносят

в среду перед посевом. Когда выясняют потребности микроорга­низмов в микроэлементах, используют бидистиллят и тщательно очищенные от примесей этих микроэлементов компоненты среды и посуду

Более требовательным гетеротрофам-сапрофитам нужны в го­товом виде все или только некоторые из 20 аминокислот, все или многие витамины группы В, фрагменты нуклеиновых кислот, уг­леводы и т. д. Такие микроорганизмы культивируют на средах сложного состава: гидролизатах мяса или казеина, гидролизатах дрожжей, растительных экстрактах. Синтетические среды, предла­гаемые, например, для некоторых молочнокислых бактерий, содер­жат около 40 компонентов. Наиболее высокими требованиями к источникам питания обладают многие патогенные микроорганиз­мы. Синтетические способности этих микроорганизмов развиты очень слабо, поэтому их обычно культивируют на средах, содер­жащих белки или продукты их неглубокого распада, нуклеотиды, витамины. Синтетические среды, составленные для некоторых па­разитических форм, очень сложны. Они включают несколько де­сятков компонентов.

Следует учитывать, что органические азотсодержащие веще­ства часто используются микроорганизмами не только как источ­ник азота, но и как источник углерода.

Энергетический обмен гетеротрофов. Различия в способах получения энергии гетеротрофами важно учитывать при составлении сред, чтобы иметь возможность не только доставить клетке соответствующий энергетический материал, но и создать условия для его использования (см. «Аэрация»).

Многие микроорганизмы (плесневые грибы, дрожжи, аэроб­ные бактерии) получают энергию при окислении органических ве­ществ кислородом воздуха. Окисление может идти до конца, т. е. до СО₂ и Н₂0, или быть неполным, что весьма распространено среди микроорганизмов. В последнем случае образуются недоокис-ленные продукты. Микроорганизмы, осуществляющие окисление веществ кислородом воздуха, культивируются в аэробных усло­виях.

Есть микроорганизмы, окисляющие органические вещества с одновременным восстановлением минеральных соединений: нитра­тов до свободного азота (денитрификация), сульфатов до серово­дорода (десульфатация), углекислоты до метана. Микроорганиз­мы, осуществляющие эти процессы, культивируются без доступа воздуха. В среде должно содержаться не только окисляемое, но и восстанавливаемое вещество.

Ряд микроорганизмов используют энергию брожения. Броже­ние протекает без участия кислорода воздуха и представляет со­бой процесс сопряженного окисления — восстановления, при кото­ром одни атомы углерода вещества, служащего энергетическим

¹ Методы удаления микроэлементов из реактивов и зоды ом. Сендел Е., 1964; Donald а. а!., 1052; Holt a. al., 1963.