2.3.1. Влияние условий среды на рост микроорганизмов

Для культивирования микроорганизмов прежде всего необходимо создать подходящую питательную среду. Микроорганизмы очень чувствительны к составу питательных сред. Питательный субстрат, или питательная среда, является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые и газообразные компоненты. Микроорганизм использует питательные вещества среды не только на построение клеточного вещества, но и на обеспечение энергией всех биохимических превращений в клетке.

Потребность микроорганизма в тех или иных соединениях определяется физиологическими особенностями данного вида микроба, но во всех случаях среда должна быть водным раствором этих веществ и обеспечивать в определенном количестве приток их в клетку.

В самом приближенном виде физиологические потребности микроорганизма в питательных веществах можно выявить, определив химический состав микробной клетки.

Усредненный элементарный состав биомассы некоторых групп микроорганизмов приведен в табл. 3.

Таблица 4

Химический состав микробной клетки	Состав биомассы, % на абсолютно сухое вещество
	бактерии	дрожжей	грибов (мицелия со спорами)
Углерод	50.4	49.8	47.9
Азот	12.3	12.4	5.2
Кислород	30.5	31.1	40.2
Водород	6.8	6.7	6.7
P2O5	4.95	3.54	4.85
K2O	2.41	2.34	2.81
SO3	0.29	0.04	0.11
Na2O	0.07	-	1.12
MgO	0.82	0.42	0.38
CaO	0.89	0.38	0.19
Fe2O3	0.08	0.03	0.16
SiO2	0.03	0.09	0.04

Все элементы, входящие в состав клеток микроорганизмов, должны присутствовать в питательной среде. Отсутствие даже одного из них приведет к замедлению роста или полному его прекращению.

Среди элементов наибольшее биогенное (жизненно важное) значение имеет углерод. Он входит в состав почти всех органических соединений, образующихся в микробной клетке. Углерод вступает во взаимодействие с кислородом, водородом, азотом и серой, образует соединения из длинных цепочек углеродных атомов, связанных между собой последовательно или с участием некоторых других элементов, дающих циклические соединения. Известно, что такие вещества с углеродной цепочкой составляют основу жизненно важных соединений клетки: аминокислот, белков, углеводов, нуклеиновых кислот, жиров и т. д.

Вторым не менее важным биогенным элементом является азот. Он входит в состав аминокислот, белковых веществ, нуклеиновых кислот, которые самым активным образом участвуют в построении тела клетки, в процессах роста и размножения микроорганизма. Азотсодержащие соединения обладают высокой реакционной способностью.

Важны для питания микроорганизма и остальные элементы: фосфор, сера, кислород, железо, калий и др.

В лабораторных условиях часто используют агары, мясной бульон, молоко, бобовый отвар и другие универсальные субстраты, богатые ценными веществами. Необходимо стерилизовать биореактор, вспомогательную аппаратуру, все компоненты питательной среды, а также аэрируемый воздух при аэробном процессе.

Надо учитывать способность многокомпонентной питательной среды производить устойчивую пену, что вызывает необходимость регулирования режимов ценообразования. Кроме того, в результате интенсивного обмена веществ у микроорганизмов часть химической энергии, связанной во время ферментации, выделяется в виде теплоты. Ассимилируя 1 кг сахара, микроорганизмы выделяют 4-6 тыс. кДж тепла. На биохимических заводах работают десятки ферментеров, от которых отводят лишнее тепло.

Микроорганизмы в результате секреции продуктов обмена веществ непрерывно меняют среду культивирования, а сами процессы метаболизма, в свою очередь, чутко реагируют на изменения в среде.

В то же время микроорганизмы весьма неприхотливы, они сравнительно легко адаптируются (приспосабливаются) к условиям обитания. Например, дрожжи прекрасно растут на глюкозе, сахарозе, мальтозе, но они могут быть адаптированы к выращиванию на пентозах, парафинах нефти, этиловом и метиловом спиртах и т.д.

Часто субстратом для жизнедеятельности микроорганизма служат такие соединения, которые они не в состоянии использовать без предварительной подготовки (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектин, пентозаны и т.д.). В этом случае при подготовке питательной среды следует предусмотреть предварительный ферментативный либо химический способ разрушения биополимера, для того чтобы углерод в среде был в усвояемой форме.

Сырье

В принципе, микроорганизмы способны ассимилировать любое органическое соединение, поэтому потенциальными ресурсами для микробиологической биотехнологии могут служить все мировые запасы органических веществ, включая первичные и вторичные продукты фотосинтеза, а также запасы органических веществ в недрах Земли.

Лекция 6

сырьевые ресурсы

Каменный уголь, природный газ и древесина могут служить сырьем для химического синтеза технических спиртов или уксусной кислоты, которые, в свою очередь, являются отличным сырьем для микробиологической промышленности.

Из органического сырья наибольшее внимание биотехнологов привлекает крахмал, хотя для его ассимиляции микроорганизмами требуется сложный комплекс амилолитических ферментов, которыми владеют только некоторые виды микроорганизмов. Много крахмала расходуется для производства этанола, а также для изготовления фруктозных сиропов. Запасы крахмалосодержащего сырья в нашей стране ограничены, поэтому рекомендуется использовать для целей биотехнологии мелассу, глюкозное сырье, метанол и этанол.

При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья.