Питательные среды

Среды необходимы для накопления, выделения и сохранения микроорганизмов, а также для выращивания культур с целью исследования их обмена веществ или получения ценных продуктов метаболизма. В лабораторных условиях микроорганизмы выращивают также при качественном анализе микрофлоры различных объектов, при количественном анализе – для подсчета жизнеспособных клеток.

Среда должна включать все компоненты, необходимые для конструктивных и энергетических процессов клетки, – источники элементов-органогенов – С, Н, О, N; зольные элементы – Р, S, К, Mg, Fe, Ca; микроэлементы – Ni, Cu, Co, Zn и др.; для некоторых микробов необходимо присутствие в питательной среде витаминов. Питательная среда должна содержать определенное количество воды, так как питательные вещества поступают в клетку только лишь в растворенном виде на основе физических законов осмоса.

Синтетические возможности микроорганизмов и способы получения ими энергии разнообразны, следовательно, и очень различны их потребности в источниках питания. Отсюда ясно, что универсальных сред, одинаково пригодных для роста всех без исключения микроорганизмов, не существует. Разнообразие обмена веществ микроорганизмов проявляется прежде всего в их отношении к источникам углерода и азота; вот почему эти элементы представлены в средах различными веществами и именно они определяют специфичность сред.

Автотрофные микроорганизмы способны использовать в качестве единственного источника углерода углекислоту воздуха или карбонатов. Для развития гетеротрофных микроорганизмов среда должна содержать более восстановленные соединения углерода, которые в зависимости от физиолого-биохимических особенностей организма могут быть представлены различными органическими соединениями, например спиртами, углеводами, углеводородами.

Неодинаковы требования микроорганизмов и к источнику азота. Для культивирования микроорганизмов, фиксирующих молекулярный азот, используют среды, не содержащие соединений азота. В состав всех других сред входят различные азотсодержащие соединения. Это могут быть нитраты или соли аммония, одна или несколько аминокислот. Наконец, известны микроорганизмы, нуждающиеся в полном наборе аминокислот или белках.

Потребности разнообразных групп микроорганизмов в зольных элементах и микроэлементах удовлетворяются обычно за счет одних и тех же минеральных солей. Поэтому так называемый " минеральный фон" сред для многих микроорганизмов может быть очень близким по составу.

Кроме элементов, необходимых для конструктивных процессов, среда должна содержать и энергетический материал. В средах для культивирования гетеротрофных организмов соединения углерода в большинстве случаев являются и энергетическим материалом. В средах для хемоавтотрофных организмов эту роль выполняют минеральные соли.

Из вышесказанного ясно, что при составлении сред следует обязательно учитывать особенности обмена веществ микроорганизмов. Кроме того, среды для одного и того же микроорганизма могут быть разными в зависимости от задач исследования. Например, среда для длительного сохранения микроорганизма в лабораторных условиях заметно отличается от сред, предназначенных для получения тех или иных продуктов обмена веществ.

К питательным средам для выращивания микроорганизмов предъявляют определенные требования: они должны содержать необходимые питательные вещества в легкоусвояемой форме (азотистые, углеводные, минеральные вещества, витамины); быть изотоничны по отношению к микробной клетке; обладать буферными свойствами; иметь оптимальную вязкость и определенный окислительно-восстановительный потенциал. Обязательное условие – стерильность питательных сред, поскольку посторонние микроорганизмы изменяют свойства среды и затрудняют культивирование и изучение определенных микробов.

Питательные среды различаются по составу, назначению и консистенции.

По составу среды для культивирования делят на три группы: естественные, или натуральные, искусственные, или полусинтетические, и синтетические среды.

Натуральными называют среды, которые состоят из продуктов животного и растительного происхождения. К таким средам относятся овощные или фруктовые соки, животные ткани, разведенная кровь, молоко, вода морей, озер и минеральных источников, а также отвары или экстракты, полученные из природных субстратов, как, например, мясо, навоз, почва, различные части растений. На натуральных средах хорошо развиваются многие микроорганизмы, так как в таких средах имеются, как правило, все компоненты, необходимые для их роста и развития. Однако эти среды имеют сложный, непостоянный химический состав и мало пригодны для изучения физиологии обмена веществ микроорганизмов, так как не позволяют учесть потребление ряда компонентов среды и образование продуктов обмена по ходу развития. Натуральные среды используются главным образом для подержания культур микроорганизмов, накопления их биомассы и диагностических целей.

Примерами натуральных сред неопределенного состава, которые широко применяются в лабораторной практике, служат мясопептонный бульон, неохмеленное пивное сусло, дрожжевая и картофельная среды, почвенная вытяжка.

К искусственным, или полусинтетическим, средам относят среды, в состав которых наряду с соединениями известной химической природы входят вещества неопределенного состава – природные продукты. Такие среды находят широкое применение в технической микробиологии для получения аминокислот, витаминов, антибиотиков и других важных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

К полусинтетическим средам относятся, например, мясопептонный бульон с глюкозой и фосфорнокислым калием, картофельная среда с глюкозой и пептоном. Основой в указанных средах является компонент неопределенного состава.

К полусинтетическим средам следует отнести также среды, главными частями которых являются соединения известного состава – углеводы, нитраты или соли аммония, фосфаты и другие, а соединения неопределенного состава – гидролизат казеина, дрожжевой автолизат, кукурузный экстракт – добавляются в качестве факторов роста и витаминов.

Синтетические среды – это среды, в состав которых входят только определенные, химически чистые соединения, взятые в точно указанных концентрациях. Синтетические среды наиболее удобны для исследования обмена веществ микроорганизмов. Зная точный состав и количество входящих в среду компонентов, можно изучить их потребление и превращение в соответствующие продукты обмена.

Для разработки синтетических сред необходимо знать потребности микроорганизмов в источниках питания и основные особенности их обмена веществ. В зависимости от потребностей микроорганизмов синтетические среды могут иметь относительно большой набор компонентов, как, например, среды для ряда молочнокислых бактерий, но могут быть и довольно простыми по составу, как среды для автотрофных микроорганизмов.

В большинстве случаев синтетические среды готовят на водопроводной воде и микроэлементы не добавляют, так как они в небольших количествах всегда содержатся в водопроводной воде и могут поступать в среду из стекла посуды. Как правило, ограничиваются внесением только тех микроэлементов, к которым изучаемый микроорганизм проявляет повышенную требовательность.

В специальных целях, например, при изучении потребностей микроорганизмов в отдельных компонентах минеральных солей, для приготовления синтетических сред используют дистиллированную воду. В этом случае микроэлементы вносят в среду обязательно.

По назначению различают общеупотребительные (стандартные), элективные и дифференциально-диагностические (индикаторные) среды.

Обычные, или общеупотребительные (стандартные), среды пригодны для выращивания большинства микробов: мясопептонный бульон (МПБ), мясопептонный агар (МПА), мясопептонный желатин (МПЖ) и др.

Элективные среды обеспечивают преимущественное развитие одного вида или группы микроорганизмов и менее пригодны или даже совсем не пригодны для развития других. Элективные среды применяют главным образом для выделения микроорганизмов из мест их естественного местообитания или для получения накопительных культур определенного вида из материала, содержащего смешанную культуру (сахарный бульон, желчный бульон, агар с кровью и т. д. ).

Дифференциально-диагностические среды служат для дифференциации различных видов микроорганизмов на основании различий в обменных процессах. В состав этих сред обычно вводят вещества, позволяющие изучить особенности ферментов исследуемых культур. Дифференциально-диагностическими средами пользуются в основном для идентификации неизвестных видов микроорганизмов. К ним относятся среды для определения способности микробов к расщеплению белков (мясопептонный желатин), ферментации углеводов (среды Гисса, Эндо и др. ), гемолитической способности (кровяной агар), восстановительной способности (среды, содержащие красители, обесцвечивающиеся при восстановлении и др. ) и т. д.

В настоящее время многие питательные среды для лабораторных исследований изготовляют фабричным способом и выпускают в виде          порошка.

Для хранения питательных сред и выращивания микроорганизмов обычно используют стеклянную посуду различной вместимости.

По консистенции различают жидкие, плотные и сыпучие среды.

Жидкие среды широко применяют для выяснения физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов, накопления биомассы или продуктов обмена, а также поддержания и хранения многих микроорганизмов, плохо развивающихся на плотных средах. В лабораторной практике применяют жидкие среды: МПБ, пептонная вода, сахарный бульон и др.

Плотные среды используют для выделения чистых культур (получение изолированных колоний) в диагностических целях (установление морфологии колоний, особенностей роста на скошенном агаре и др. ), для хранения культур, количественного учета микроорганизмов, определения их антагонистических свойств и в ряде других случаев. Примером плотных питательных сред являются МПА, МПЖ, свернутый яичный белок, картофель и др.

Сыпучие среды применяют в промышленной микробиологии. К ним относятся, например разваренное пшено, отруби, кварцевый песок, пропитанные питательным раствором.