6.9.3.Питательные среды для культивирования микроорганизмов
В процессе роста культуры происходит увеличение количества биомассы. Естественно, что для этого микроорганизмы нуждаются в строительном материале и энергии. Оба этих компонента они должны получать из окружающей среды, используя находящиеся там вещества в качестве строительного материала и источника энергии, которая возникает за счет протекания в системе химических реакций, сопровождающихся освобождением энергии (чаще всего это окислительно-восстановительные реакции), либо за счет непосредственного потребления энергии в виде электромагнитного излучения светового диапазона.
Химический состав живых клеток приблизительно одинаков у всех видов организмов. Около 80-90.% общей массы клеток составляет вода, которая поэтому является главным компонентом любой питательной среды и служит источником водорода и кислорода. Помимо воды, в сухом веществе микроорганизмов содержатся углерод, азот, фосфор и сера. Перечисленные шесть элементов представляют до 95% сухой биомассы. Остальное приходится на долю большого количества других элементов, таких как К, Mg, Са, Fe, Мп, Со, Си, Мо и Zn. Элементный состав и основные функции различных химических элементов, составляющих живую материю, приведены в табл. 6.4.и табл. 6.5.
Таким образом, для роста культуры необходимы различные химические элементы. Естественно, что микробные клетки не могут использовать эти элементы непосредственно, а потребляют их в виде химических соединений, называемых источниками питания. Источники питания могут быть подразделены на следующие группы:
1)источники основных элементов: С, Н, N, О; 2) источники элементов, требующихся в меньшем количестве: Р, К, S, Mg; 3) витамины и гормоны; 4) источники микроэлементов. Для обозначения особенно важных источников питания применяется термин «факторы роста». Ниже мы рассмотрим основные источники питания по каждой из приведенных выше групп элементов.
Таблица 6.4.
6.9.4.Источники углерода
Большинство промышленно используемых микроорганизмов (грибы, простейшие, большая часть бактерий) относятся к гетеротрофам: для построения своих клеток они используют углерод органических веществ. Остальные микроорганизмы относятся к автотрофам, поскольку они ассимилируют углерод из углекислого газа с использованием световой или химической энергии. Таким образом, одним из широко используемых источников углерода для микроорганизмов, во всяком случае для микроорганизмов-автотрофов, является двуокись углерода (углекислый газ). Гетеротрофы используют двуокись углерода в меньшей степени как питательный субстрат, в большей - для других целей. Наиболее распространенными источниками углерода
Таблица 6.5.
при культивировании микроорганизмов являются: углеводы (чистые и углеводосодержащее сырье), спирты (одно- и многоатомные), органические кислоты, углеводороды. Довольно часто в качестве источников углеродного питания используются технические виды углеродсодержащего сырья: меласса, соки растений, растительная патока, крахмал и продукты его частичной переработки, сульфитный щелок, барда (отход производства спирта), гидролизаты полисахаридов, древесины, отходы молочной промышленности. Все эти технические источники углерода чаще всего представляют собой сложные многокомпонентные смеси различных веществ и служат источниками не только углерода, но и других необходимых для роста культуры микроорганизмов химических элементов.
Технические виды углеводосодержащего сырья довольно удобны для культивирования микроорганизмов, поскольку они содержат большой набор необходимых для роста компонентов. Однако это же служит и существенным ограничением их использования, поскольку обычно неизвестен их точный состав, который к тому же весьма нестандартен и может сильно варьировать в зависимости от погодных условий и места заготовки сырья. Знание же точного состава питательной среды зачастую весьма важно для достижения желаемого результата, особенно при отработке технологии производства продукта. Известно много примеров, когда микроорганизм хорошо растет на данной среде, однако целевой продукт при этом не синтезируется. Среди источников углерода наиболее часто используется глюкоза и некоторые другие сахара, особенно гексозы. Далее в порядке легкости усвоения идут многоатомные спирты (глицерин, маннит и др.) и карбоновые кислоты. Ряд микроорганизмов способен использовать для роста углеводороды, что послужило основой технологии производства микробного белка на парафинах нефти.
Однако и здесь будем помнить о различиях в условиях для хорошего роста и эффективного биосинтеза целевого продукта.