Исхрана на микроорганизми

Исхрана на микроорганизми е сложен физиолошки процес со кој микроорганизмите ги набавуваат потребните елементи и енергија за биосинтеза на клеточните соединенија, за раст, репродукција и одржување на виталните функции.

Процесот на исхрана се одвива во рамките на клеточниот метаболизам со реакции на деградација на макромолекуларните соединенија во соединенија со мала молекуларна тежина кои можат да се транспортираат внатре во клетката, ексергонични реакции што се случуваат во клеточниот катаболизам. Истовремено со реакциите на катаболизам, користејќи едноставни соединенија и енергија, живата клетка синтетизира клеточни соединенија неопходни за раст во анаболизам. Lifeивотниот век на микробната клетка е можен се додека двата процеса се одвиваат истовремено.

Бактериската клетка може да користи помеѓу 300-600 различни видови молекули од кои околу 50% се претставени со молекула на вода и јони. Се проценува дека без да се земат предвид молекулите на вода, клетката од квасец може да користи до 500 мали молекули и над 4000 макромолекули.

микроорганизми кои се среќаваат во прехранбената индустрија се микроорганизми со хемосинтезирање и ја добиваат својата енергија со деградирање на органски соединенија со ослободување на потенцијална енергија на хранливиот супстрат на кој се развива, честопати давајќи своја специфична промена. Подлогата за хранливи материи значи околина што содржи вода, извори на енергија (јаглени хидрати по природа), асимилирани извори на азот, минерални соли и факултативни фактори на раст.

Нутриционистички типови и извори на хранливи материи

Микроорганизмите кои можат да користат СО2 како единствен или главен извор на јаглерод се нарекуваат автотрофи за разлика од хетеротрофите кои користат извор на органски молекули од други организми како извор на јаглерод. Како резултат на прилагодување на микроорганизмите кон различни услови на животната средина, во зависност од достапните извори, тие можат да припаѓаат на 4 типа на исхрана:

хетеротрофни хемоорганотрофи својата енергија ја добиваат хемиски, преку процеси на оксидација на органски соединенија и набавуваат кислород и водород од органски и неоргански соединенија (габи и бактерии);
автотрофни фотолитотрофи (алги, бактерии во вода) користат светлосна енергија во процесите на биосинтеза и користат извор на јаглерод, водород и кислород од неоргански соединенија;
хетеротрофни фотолитотрофи користете светлосна енергија и како главен извор на јаглерод, СО2 од воздухот (сулфурни бактерии);
автотрофни хемолитотрофи (сулфобактерии, феробактерии) ја добиваат својата енергија хемиски, а неорганските соединенија служат како извор на јаглерод и водород.

микроорганизми со улога во прехранбената индустрија (квасеците, мувлите и бактериите припаѓаат на првиот нутриционистички тип. Се прилагодуваат да растат со асимилација на јаглерод од органска материја се познати како избрани агенси за насочување на индустриските процеси на ферментација, како расипувачки агенси или патогени. Во првиот нутриционистички тип на органотрофни микроорганизми се разликуваат следниве подгрупи:

сапроорганотрофни микроорганизми (сапрофити) се развива со употреба на нежива органска материја како извор на јаглерод и енергија. Оваа категорија ги вклучува повеќето микроорганизми со индустриска примена, но исто така и гнилостните бактерии, микроорганизми кои растат на храна;
комензален микроорганизам се развива на површината или во внатрешноста на живите организми (растенија или животни) кои имаат корист од оваа асоцијација и се хранат со супстанции што произлегуваат природно од нивната метаболичка активност. Можеме да ги наведеме примерите на микроорганизмите од епифитичната микробиота на растенијата, кожата, цревната микробиота;
патогени микроорганизми или паразитски тие можат да бидат строго патогени, да бидат специјализирани да се хранат и да живеат со паразитирање на живата клетка;
потенцијално патогени микроорганизми тие можат да растат на храна богата со хранливи материи и можат да произведат токсини под одредени услови, но со внесување на контаминирана храна, може да се појави труење со храна или токсикоза.

Претпочитани извори на исхрана за органотрофни микроорганизми

Извори на јаглерод

Нема извор на јаглерод кој не се користи микробиолошки. Постојат микроорганизми кои можат да користат многу извор на јаглерод, на пример Pseudomonas cepacia кои можат да користат над 100 различни извори на јаглерод, други бактерии, на пример од родот Летоспира тие ги користат како главен извор на С и енергија само на масните киселини со голем број на Ц во молекулата.

Меѓу природните извори на Ц пронајдени во суровините за храна или користени во составот на културните медиуми, се претпочита следново:

полиглуцид: скроб, целулоза, пектински супстанции, кои можат да се користат главно од бактерии и микроорганизми кои произведуваат специфични екстрацелуларни ензими;
моноглуцид (хексоза, пентоза),диглуцид, е истовремено извор на јаглерод и енергија за сите микроорганизми и основен извор на исхрана на квасец;
органски киселини (млечна, јаболкова, оцетна киселина) може да биде извор на Ц за микроорганизми и некои квасеци;
алкохоли се користат од оксидативни квасци (г. Кандида, г. Пихија) и бактерии (г. Ацетобактер).

Бидејќи јаглеродот е максимум. 50% од сувата материја на клетката во составот на културниот медиум се пресметува количината на хранлива материја што треба да се додаде (во зависност од молекуларната тежина и содржината на јаглерод) за да се добие соодветна количина на биомаса.

Хранливи материи со N, P, S

За раст, микроорганизмите бараат големи количини на азот, фосфор и сулфур, а органотрофите можат да ги набават или од органски извори на јаглерод или од неоргански соединенија. Познато е дека азотот (10-14% од сувата материја на клетката) е неопходен за синтеза на аминокиселини, пурини, пуридини, некои липиди, коензими. Многу микроорганизми можат да користат азот од аминокиселини и амонијак со директно вградување, со помош на ензими. Некои бактерии можат да го намалат и асимилираат атмосферскиот азот со употреба на систем на нитрогеназа и да играат витална улога во обезбедувањето на природното коло на азот.

Протеините можат да се користат во исхраната само од микроорганизми кои произведуваат екстрацелуларни протеази, соодветно бактерии - гнили и мувла - гнили. Тие исто така може да се користат во култури на квасец - амониум сулфат и уреа. Другите соединенија како што се нитратите се асимилираат од мувла и бактерии, нитритите само од бактерии (g. Нитросомонас) и со токсичен ефект врз квасец (множењето се запира во концентрации од 200 mg нитрати/dm 3).

Минерална исхрана

За набавка на помали елементи, микроорганизмите претпочитаат нивни соли во следната низа: фосфати, сулфати, нитрати, карбонати. Ефектот на додавање на различни минерални материи врз растот може да биде различен според специфичниот индекс на корисност, што претставува однос помеѓу биомасата формирана на целосен медиум за култура и оној што резултира во недостаток на околината во соодветната супстанција/елемент.

Фактори за раст

Факторите за раст се органски супстанции кои се неопходни за раст на микробите и не можат да се синтетизираат од тој микроорганизам. Според хранливите потреби на микроорганизмите, вклучени во првиот вид на исхрана, може да се воспостави одредено сукцесија; нутриционистички најбараните се грам-позитивни бактерии, проследени со Грам-негативни бактерии, квасеци и мувла, соодветно.

Факторите за раст како структура и метаболичка функција спаѓаат во следниве 3 категории:

аминокиселини се потребни за синтеза на протеини/ензими;
пурини и пиримидини, за синтеза на нуклеински киселини;
витамини, кои функционираат како протетски групи на ензими или како коензими.

Во зависност од природата на микроорганизмите, потребата за аминокиселини варира помеѓу 0 и 18 аминокиселини.

Меѓу микроорганизмите во прехранбената индустрија, квасеци од родот Сахаромици бара биотин и парааминобензоева киселина, млечни киселини бактерии од родот Лактобацилус бара фолна киселина, никотинска киселина, биотин, витамин Б, пиридоксин, оцетни бактерии бараат п-аминобензоична киселина и Ентеракокус ѓaecales потребни се 8 различни витамини за раст.

Исто така постои и мала група на супстанции наречени фактори кои го стимулираат растот и кои, без да бидат неопходни, нивното присуство ја забрзува стапката на раст на клетките.

Познавањето на условите за култура и хранливите потреби на секој микроорганизам е од големо значење и во лабораториската пракса и во индустриското одгледување, бидејќи овозможува регулирање на физиолошката активност или во насока на добивање биомаса или на метаболички производи од економска важност.

Начини на транспорт на хранливи материи во микробната клетка

За да се спроведе процесот на исхрана, задолжително е хранливите материи да влезат во клетката со цел да се метаболизираат. Мали молекули растворливи хранливи материи можат да навлезат во микробната клетка на различни начини. Еден од најчестите начини е пенетрација со дифузија, имено со:

пасивна дифузија е дифузија што се одвива како резултат на градиент на концентрација, можна кога концентрацијата на хранливиот елемент надвор од клетката е поголема отколку во клетката. Преку одредени пори на плазма мембраната, хранливиот материјал влегува во внатрешноста и се метаболизира.
олеснето ширење се постигнува поради присуството во биомембраните на рецепторните протеини наречени пермеази, лоцирани во плазмалеммата или во периплазматскиот простор. Пермеат ја препознава и врзува растворливата молекула на вода со промена на нејзината конформација и ја ослободува во ќелијата. Потоа ја продолжува својата позиција свртена кон надворешната страна на плазматската мембрана и е подготвена да добие нова молекула. Овој процес може да се одвива сè додека концентрацијата на молекулите на хранливи материи е поголема надвор од клетката отколку внатре.

Олеснетата дифузија е поважна во еукариотските клетки за транспорт на аминокиселини и јаглехидрати, додека кај прокариотите се користи за транспорт на глицерол.

Микроорганизмите често се наоѓаат во живеалиштата каде што содржината на хранливи материи е толку мала што нивниот транспорт и концентрација во клетката се важни за раст. Во оваа ситуација, транспортот се врши наспроти нормалниот градиент на концентрација, со потрошувачка на енергија, со активен транспорт и групно преместување.

Активен транспорт - транспортот во ќелијата се обезбедува дури и во отсуство на градиент на концентрација и се прави со потрошувачка на енергија. Транспортот се активира како резултат на ослободената енергија со трансформација на АТП во АДП.

Групна транслокација - е активен транспорт кој се наоѓа во квасци и калапи во кој интервенира комплексен ензимски систем на трансферази, кои овозможуваат продирање на јаглехидрати низ мембраните во форма на фосфорни естри. Клетките можат да се разменуваат со надворешната средина не само јони и јаглехидрати, туку и јаглехидрати од макромолекуларно соединение.

Така, бактериите, на пример, можат да лачат протеини преку процес на егзоцитоза. Исто така е можно таквите макромолекули да влегуваат во клетката преку процеси на ендоцитоза.

Културни медиуми

Културен медиум е комплексен хранлив супстрат, со улога на храна, кој мора да обезбеди микроорганизам што треба да се одгледува, потребната количина на вода, извори на јаглерод, азот, минерали, фактори на раст, супстанции кои ја обезбедуваат количината енергија, како и сите елементи што ги користи клетката во процесите на раст, репродукција и одржување на виталните функции.

Културниот медиум мора да ги исполнува следниве услови:

да кореспондира нутриционистички;
имаат концентрација на супстанцијата растворена во медиумот што не влијае негативно на осмотските размени на клетката;
не содржат токсични супстанции или генерираат токсични соединенија поради растот на микробиолошката култура;
имаат одредена pH вредност или rH;
биде стерилен, така што не развива само клетки воведени преку инокулумот.

Во лабораториска пракса, културните медиуми се користат за изолација од природни средини на разни микроорганизми за добивање чисти култури, за нивно одгледување со цел да се добие биомаса или за одржување на избрани чисти култури. За индустриски цели, културните медиуми се користат за добивање клетки или соединенија кои произлегуваат од активноста на избрани микроорганизми. Во зависност од нивната дестинација, културните медиуми се диференцираат на следниов начин:

Медиуми од општа култура што обезбедува развој на голем број видови и родови, бидејќи тие вклучуваат во нивниот состав диверзифицирани хранливи материи.

Меѓу општите културни медиуми што се користат во практиката на лабораторијата за микробиологија, споменуваме:

течна или агарирана супа од месо (БЦА);
медиум триптон - екстракт од квасец - гликоза - агар;
слад - агар (MMA) за одгледување квасец и мувла;

Селективни медиуми за култура се медиуми со дефиниран хемиски состав што овозможуваат развој на мала група микроорганизми или дури и еден вид. Овие средини содржат, покрај хранливите материи и супстанциите со инхибиторен ефект врз другите придружни микроорганизми кои се наоѓаат во микробиотата од кои е изолирана културата што сакаме да ја избереме.

Селективен медиум што се користи за одредување на колиформни бактерии е BLBV (супа - жолчка - лактоза - светло зелена) во која жолчните соли инхибираат други бактерии, додека колиформите се прилагодени. Бројот на селективни медиуми е многу голем и овозможува изолирање на видови од индустриски интерес или се користат за идентификување, утврдување на загадувачки микроорганизми во храната.

Медиуми за диференцијација на културата - овие средини овозможуваат раздвојување на видовите според одредени биохемиски карактеристики, кога се избрани од хетерогена микробиота.

Згради за збогатување (збогатена) се наменети за раздвојување и одгледување на микроорганизми кои бараат хранливи материи и кои се присутни во мал број во производот анализиран од микробиолошка гледна точка.

Во зависност од составот и потеклото, културните медиуми можат да бидат природни медиуми и синтетички медиуми.

Природни средини тие се најкористени затоа што ги репродуцираат условите во кои се развиваат микроорганизми. Природните средини од растително потекло се овошни сокови, зеленчук, слад кантарион, варен/каша зеленчук, овошје, билни инфузии.

Како стерилизатори од животинско потекло се користат по стерилизација, млеко, крв (за факултативни патогени бактерии), сурутка, месо, супа од месо, црн дроб, јајца.

Во лабораториски услови, се користат и двата течни медиуми, особено за одгледување факултативни анаеробни микроорганизми, за проучување на ферментативни процеси, цврсти медиуми - леб, парчиња компири итн. и често зацврстени медиуми добиени со додавање на средства за зацврстување во течните медиуми.

За зацврстување на културните медиуми, се користат следниве:

агар - агар (агар) диглуцид добиен од алги од родот Гелидиум, кој во својата структура има молекули на галактоза и Д - галактуронска киселина поврзани со 1,2,1,3 гликозидни врски. Во прочистената состојба е претставен во форма на прав или влакна и се додава 0,5 - 2% течен медиум.
желатин зацврстувачки агенс од протеинска природа, извлечен од органски ткива. Се користи во количина од 12 - 15 g% .

Покрај опишаните медиуми и кои можат да бидат подготвени во лабораториски услови, многу компании се специјализирани за производство на културни медиуми кои можат да бидат испорачани во разни форми. Така, тие се готови или прашкасти медиуми кои можат да се реконституираат според рецептот и да имаат долг рок на траење.

Ферментативните медиуми се медиуми за индустриска култура наменети за производство на големи количини на клетки или за добивање метаболички производи со економска вредност.

Разновидноста на културните медиуми се должи и на можноста за прилагодување на многу микроорганизми кои се наоѓаат во природните живеалишта и на фактот дека со промена на составот на културните медиуми може да се постигнат поголеми приноси во производи за микробен метаболизам со економска вредност.

Медиумите за култура често се користат во лабораториски микробиолошки техники, за изолација, одгледување и одржување на чисти култури и за микробиолошка контрола на прехранбените производи.