Питательные среды. Классификация

 

 

Питательные среды должны содержать основные органогены, другие зольные элементы, микроэлементы, факторы роста, иметь соответствующий рН, быть изотоничными и обладать определен­ным окислительно–восстановительным потенциалом.

Для нормальной жизнедеятельности бактерий и микоплазм необходимы четыре органогена: углерод, азот, водород и кислород. Наиболее важный из них – углерод. Им также нужны сера, фосфор, натрий, калий, кальций, магний, железо как зольные элементы. Для активации роста микроорганизмов в микродозах необходимы бор, молибден, цинк, кобальт, никель, марганец, медь, йод, бром и некоторые другие микро­элементы. Источником органогенов, макро– и микроэлементов в пита­тельных средах являются экстрактивные вещества мяса, рыбы, овощей и вода, на которой их изготовляют. Микоплазмы и ряд бактерий (нап­ример, бруцеллы, коринебактерии) нуждаются в ростовых факторах, к которым относят аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины. Для большинства бактерий рН питательных сред соответствует 7,2–7,4.

Готовят питательные среды из продуктов животного и растительного происхождения или химически чистых соединений.

Классификация сред. По консистенции питательные среды делят на жидкие, полужидкие и плотные. К жидким питательным средам при­надлежат мясопептонный, сахарный, кровяной и желчный бульоны, пептонная вода, обезжиренное молоко. Для изготовления полужидких и плотных сред, которые готовятся на основе бульонов, прибавляют полисахарид агар (от 0,15 до 3 %), получаемый из морских водорослей, или желатину (10–15 %).

По составу питательные среды разделяют на простые, или обычные; специальные, к которым принадлежат сложные и селективные (избира­тельные); дифференциально–диагностические.

К простым средам относят мясопептонный бульон (МПБ) и мясо­пептонный агар (МПА). На них культивируют большинство патогенных и сапрофитных бактерий, как–то: кишечные бактерии, бациллы сибирской язвы, возбудитель чумы.

Специальные среды служат для выращивания микроорганизмов, не растущих на простых средах и часто нуждающихся в факторах роста. При этом сложные среды, как правило, готовят на основе МПБ и МПА, добавляя к ним углеводы (чаще глюкозу), кровь, сыворотку крови, асцитическую жидкость. Селективные среды применяют для выращива­ния определенного вида бактерий. Рост других видов микробов на них задерживается. Так, на 1 % щелочной пептонной воде с рН 7,8–8,2 быстро развивается холерный вибрион; на желчном бульоне – тифопаратифозные бактерии; на свернутой лошадиной сыворотке в считанные часы вырастают коринебактерии дифтерии.

Дифференциально–диагностические питательные среды предназна­чены для выявления сахаролитических, протеолитических свойств и агрессинов патогенных микроорганизмов. К ним относят среды Гисса, Эндо, Левина и Плоскирева. Ряд Гисса – это полужидкий питательный агар с индикатором ВР (водный голубой + розоловая кислота) и наличием какого–либо одного углевода, чаще всего глюкозы, мальтозы, маннита, сахарозы или лактозы. На этих средах, которые разливают по пробиркам столбиками, изучается спектр бактериальных гликозидаз. Сбраживание одного из углеводов сопровождается изменением цвета столбика агара и образованием пузырьков газа.

Протеолитическая активность бактерий на ряде Гисса изучается посе­вом культур в столбик мясопептонной желатины, на молоко и пептонную воду, на которой, в частности, определяются индолообразование (пок­раснение свисающей из–под пробки бумажки, пропитанной щавелевой кислотой), выделение сероводорода (почернение бумажки, смоченной уксуснокислым свинцом вследствие образования сульфита свинца) и ам­миак (посинение лакмусовой бумажки).

Среды Эндо, Левина и Плоскирева – это обычный по консистенции питательный агар, в котором содержится лактоза и соответствующий им индикатор. На них удается отдифференцировать эшерихии, ферменти­рующие лактозу и формирующие цветные колонии, от сальмонелл и дизентерийных бактерий, не способных расщеплять ее и образующих бесцветные колонии.

В настоящее время бактериологические лаборатории широко исполь­зуют сухие питательные среды в виде порошков, хранящихся в герме­тически закрытых банках. Готовят эти среды по прописи, указанной на этикетке. Навеску порошков растворяют в определенном объеме дистил­лированной воды, среду разливают в соответствующую посуду и стери­лизуют.

Для выращивания клеток тканей, используемых для культивирования вирусов, риккетсий, микоплазм и некоторых особенно требовательных к питательным веществам бактерий, используют среды 199, Игла и другие, содержащие такой полный набор веществ, который находится в межкле­точной жидкости организма (аминокислоты, углеводы, витамины, опре­деленный солевой состав и рН).

 

Ферменты бактерий.

В соответствии с механизмами генетического контроля у бактерий выделяют три группы ферментов:

- конститутивные, синтез которых происходит постоянно;

- индуцибельные, синтез которых индуцируется наличием субстрата;

- репрессибельные, синтез которых подавляется избытком продукта реакции.

Ферменты бактерий делят на экзо- и эндоферменты. Экзоферменты выделяются во внешнюю среду, осуществляют процессы расщепления высокомолекулярных органических соединений. Способность к образованию экзоферментов во многом определяет инвазивность бактерий- способность проникать через слизистые, соединительнотканные и другие тканевые барьеры.

Примеры: гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость тканей (клостридии, стрептококки, стафилококки и многие другие микроорганизмы); нейраминидаза облегчает преодоление слоя слизи, проникновение внутрь клеток и распространение в межклеточном пространстве (холерный вибрион, дифтерийная палочка, вирус гриппа и многие другие). К этой же группе относятся энзимы, разлагающие антибиотики.

В бактериологии для дифференциации микроорганизмов по биохимическим свойствам основное значение часто имеют конечные продукты и результаты действия ферментов. В соответствии с этим существует микробиологическая (рабочая) классификация ферментов.

1.Сахаролитические.

2.Протеолитические.

3.Аутолитические.

4.Окислительно- восстановительные.

5.Ферменты патогенности (вирулентности).

Ферментный состав клетки определяется геномом и является достаточно постоянным признаком. Знание биохимических свойств микроорганизмов позволяет идентифицировать их по набору ферментов. Основные продукты ферментирования углеводов и белков- кислота, газ, индол, сероводород, хотя реальный спектр для различных микроорганизмов намного более обширный.

Основные ферменты вирулентности- гиалуронидаза, плазмокоагулаза, лецитиназа, нейраминидаза, ДНК-аза. Определение ферментов патогенности имеет значение при идентификации ряда микроорганизмов и выявления их роли в патологии.

Ряд ферментов микроорганизмов широко используется в медицине и биологии для получения различных веществ (аутолитические, протеолитические), в генной инженерии (рестриктазы, лигазы).

Дыхание бактерий.

Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О₂), при анаэробном- связанный кислород (-NO₃, =SO₄, =SO₃).

Примеры.

О₂

Аэробное дыхание донор водорода H₂O

Анаэробное дыхание

нитратное окисление NO₃

(факультативные анаэробы) донор водорода N₂

сульфатное окисление SO₄

(облигатные анаэробы) донор водорода H₂S

По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.

1. Облигатные (строгие) аэробы. Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.

2. Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO₂, например до 10- процентной концентрации.

3. Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода - т.е. аэротолерантные, а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.

4. Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.

Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).

В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H₂O₂- перекись водорода, -О₂ - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH₂).

Основные методы создания анаэробных условий для культивирования микроорганизмов.

1.Физический- откачивание воздуха, введение специальной газовой безкислородной смеси (чаще- N₂- 85%, CO₂- 10%, H₂- 5%).

2.Химический- применяют химические поглотители кислорода.

3.Биологический- совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов (аэробы поглощают кислород и создают условия для размножения анаэробов).

4.Смешанный- используют несколько разных подходов.

Необходимо отметить, что создание оптимальных условий для строгих анаэробов- очень сложная задача. Очень непросто обеспечить постоянное поддержание безкислородных условий культивирования, необходимы специальные среды без содержания растворенного кислорода, поддержание необходимого окислительно- восстановительного потенциала питательных сред, взятие и доставка, посев материала в анаэробных условиях.

Существует ряд приемов, обеспечивающих более подходящие условия для анаэробов- предварительное кипячение питательных сред, посев в глубокий столбик агара, заливка сред вазелиновым маслом для сокращения доступа кислорода, использование герметически закрывающихся флаконов и пробирок, шприцев и лабораторной посуды с инертным газом, использование плотно закрывающихся эксикаторов с горящей свечой. Используются специальные приборы для создания анаэробных условий- анаэростаты. Однако в настоящее время наиболее простым и эффективным оборудованием для создания анаэробных и микроаэрофильных условий является система “Газпак” со специальными газорегенерирующими пакетами, действующими по принципу вытеснения атмосферного воздуха газовыми смесями в герметически закрытых емкостях.