Die Auswahl der besten Mikroorganismenmedien ist entscheidend für eine hohe Produktausbeute. Die Qualität der Medien ist entscheidend, da sie Nährstoffe und Energie für das Wachstum von Mikroorganismen liefern.
Einige wichtige Bestandteile der Kulturmedien von Mikroorganismen
Die für Fermentationsmedien benötigten Nährstoffe werden auch durch die Art der Mikroorganismen und die Art des verwendeten biochemischen Prozesses bestimmt. Eine schlechte Auswahl an Mikroorganismenmedien kann zu einer geringen Ausbeute führen. Die Art der in den Medien vorhandenen Nährstoffe bestimmt immer die Produktausbeute. Zu den Grundanforderungen an Kulturmedien gehören unter anderem die Energiequelle Wasser, eine Kohlenstoffquelle, eine Stickstoffquelle, Vitamine und Mineralien. Medien für kleine Laborzwecke sind relativ einfach zu entwerfen, Medien für industrielle Zwecke sind jedoch schwierig vorzubereiten. Einem angereicherten Kulturmedium wurden wesentliche Elemente für das Wachstum von Mikroorganismen hinzugefügt (Bonnet et al., 2020; Tankeshwar, 2022).
Die Nährstoffe
Mikroorganismen benötigen zum Wachstum nur wenige Nährstoffe, d. h. Wasser, eine Kohlenstoffquelle, eine Stickstoffquelle, Mineralsalze (Kumar, 2012), Energiequellen und Wachstumsfaktoren.
Wasser: Wasser ist wichtig, um Nährstoffe zu lösen, zu transportieren und Hydrolysereaktionen sicherzustellen. Einige Bakterien benötigen zum Wachstum freies Wasser. Wenn das Agar während der Inkubation verdunstet, kann dieses Wasser verloren gehen, was zu einer Verringerung der Koloniegröße und einer Hemmung des Bakterienwachstums führt (Kumar, 2012; Power und Johnson, 2009).
Kohlenstoffquelle: In Bakterien ist Kohlenstoff das am häufigsten vorkommende Element. Bakterien benötigen Kohlenstoffmoleküle, um Fette, Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren zu produzieren. Bakterien können anorganische Kohlenstoffquellen wie Kohlendioxid oder organische Quellen wie Zucker und Alkohol nutzen (Kumar, 2012; Atlas, 2010).
Stickstoffquelle: Stickstoffquellen sind reichlich vorhanden und können in einer Vielzahl von Verbindungen gefunden werden, die bei der Formulierung eines Kulturmediums verwendet werden. Es kommt sowohl in organischer als auch in anorganischer Form vor, entsprechend Proteinhydrolysaten, insbesondere Protease-Pepton oder Trypton, sowie Nitraten. Stickstoff ermöglicht Bakterien die Synthese von Proteinen (Atlas, 2010; Latge, 1975).
Schließlich sind unter den gebräuchlichen Mineralsalzen häufig Phosphat, Sulfat, Magnesium oder Kalzium zu finden (Power und Johnson, 2009).
Energiequellen: Bakterien werden in zwei Typen eingeteilt: phototrophe Bakterien, die Licht als Energiequelle nutzen, indem sie es in einen elektrochemischen Protonengradienten umwandeln (Yurkov und Beatty, 1998), und chemotrophe Bakterien, die die Energie der Oxidation mineralischer oder organischer Verbindungen nutzen eine Energiequelle (Thauer et al., 1977) Listeria monocytogenes ist eines dieser Bakterien (Van der Horst et al., 2007)
Wachstumsfaktoren
Die Verwendung eines Minimalmediums verhindert das Wachstum bestimmter Bakterien, die zum Überleben bestimmte Elemente benötigen. Um die Bakterienvermehrung zu steigern, werden den Kulturmedien manchmal Wachstumsfaktoren zugesetzt. Wachstumsfaktoren sind Elemente, die Bakterien nicht aus verfügbaren Nährstoffen in der Umwelt synthetisieren können (Kumar, 2012; Werkman und Wilson, 1957). Wachstumsfaktoren werden im Kulturmedium in geringen Mengen benötigt und ihr Bedarf ist durch das Fehlen oder die Blockierung eines Stoffwechselwegs des Bakteriums gerechtfertigt.
Es gibt verschiedene Arten von Wachstumsfaktoren, darunter Purin- und Pyrimidinbasen (Snell und Mitchell, 1941). Aminosäuren sind auch Wachstumsfaktoren (Dunn ET AL., 1947) und werden bei der Synthese von Proteinen verwendet. Vitamine sind auch in Wachstumsfaktoren enthalten. Sie sind Coenzyme oder Coenzym-Vorläufer (Duncan et al., 2002). Ein Vitamin ist eine organische Substanz, die in geringen Mengen für den Stoffwechsel eines lebenden Organismus benötigt wird, von diesem Organismus jedoch nicht in ausreichender Menge synthetisiert werden kann. Auch Blut und seine Derivate werden eingesetzt (Collins und Lyne, 1970). Schließlich kann Pansenflüssigkeit durch die Simulation ihrer natürlichen Umgebung genutzt werden, um das Wachstum bestimmter Bakterienarten zu fördern (Lagier et al., 2012 und 2015).
Prinzipien des Kulturmediums
Saatkulturmedium
Das Saatkulturmedium wird für das Zellwachstum und die Vermehrung für die nächste Fermentation verwendet. Ein richtig formuliertes Zellkulturmedium mit Nährstoffen, Vitaminen und Wachstumsfaktoren ist für das Wachstum von Mikroorganismen sehr wichtig (Tankeshwar, 2022).
Nährmedien
- Undefinierte Medien: Undefinierte Medien, die auch als Basal- oder Komplexmedien bezeichnet werden, enthalten eine Kohlenstoffquelle wie Glukose, Wasser, verschiedene Salze, eine Aminosäurequelle und Stickstoff (z. B. Rindfleisch, Hefeextrakt) für das Wachstum von Mikroorganismen. Dies ist ein undefiniertes Medium, da die Aminosäurequelle eine Vielzahl von Verbindungen enthält, deren genaue Zusammensetzung unbekannt ist. Allerdings enthalten die Nährmedien alle Elemente, die die meisten Bakterien für ihr Wachstum benötigen, und sind nicht selektiv, sodass sie für die allgemeine Kultivierung und Erhaltung von Bakterien in Laborkultursammlungen verwendet werden.
- Definierte Medien: In solchen Medien sind alle verwendeten Chemikalien bekannt, aber solche Medien enthalten keine pflanzlichen oder tierischen Gewebe und Hefe.
- Differenzial- oder Indikatormedien: Solchen Medien wird ein Farbstoff oder Indikator zugesetzt, der zur Identifizierung spezifischer chemischer Reaktionen während des Bakterienwachstums verwendet wird. Es ermöglicht das Wachstum mehrerer Mikroorganismen; Bakterienkolonien unterscheiden sich jedoch durch ihre Farbe, wenn der Indikator eine chemische Veränderung erfährt, z. B. Neutralrot, Phenolrot oder Methylenblau.
Minimale Medien
Die Zusammensetzung von Minimalmedien variiert je nach kultiviertem Mikroorganismus. Dieses Medium besteht typischerweise aus einer Kohlenstoffquelle wie Zucker/Succinat, verschiedenen anorganischen Salzen (Salze essentieller Elemente wie Magnesium, Stickstoff, Phosphor und Schwefel) und Wasser (Singh, 2022; Tankeshwar, 2022).
Selektive Medien
Solche Medien werden nur zum Züchten bestimmter Arten von Mikroorganismen verwendet. Beispielsweise wird ein bestimmtes Antibiotikum oder ein Hemmstoff oder eine bestimmte Substanz hinzugefügt, um nur das Wachstum von Mikroorganismen zu ermöglichen, die gegen diese bestimmte Substanz resistent sind. Ziel ist es, mithilfe dieses Mediums eine bestimmte Art von Mikroorganismen aus einer gemischten mikrobiellen Population zu trennen. Eines soll den Kohlenstoff- und Stickstoffbedarf bestimmter Mikroorganismen decken, während das andere darauf ausgelegt ist, die physikalische und chemische Widerstandsfähigkeit bestimmter Mikroorganismen zu erfüllen (Singh, 2022; Tankeshwar, 2022).
Transportmedien
Diese dienen der vorübergehenden Lagerung von Proben, die zur Kultivierung ins Labor transportiert werden. Solche Medien sollten idealerweise alle Organismen in der Probe am Leben halten, ohne ihre Konzentration zu verändern. Typischerweise enthalten Transportmedien nur Puffer und Salz. Die mikrobielle Vermehrung wird durch einen Mangel an Kohlenstoff, Stickstoff und organischen Wachstumsfaktoren behindert. Transportmedien, die bei der anaeroben Isolierung verwendet werden, müssen frei von molekularem Sauerstoff sein (Singh, 2022; Tankeshwar, 2022).
Angereicherte Medien
Angereicherte Medien enthalten die Nährstoffe, die für das Wachstum einer Vielzahl von Organismen erforderlich sind, darunter auch einige der am schwierigsten zu züchtenden. Sie werden üblicherweise verwendet, um so viele verschiedene Arten von Mikroben zu sammeln, wie die Probe enthält. Blutagar ist ein angereichertes Medium, das zusätzlich zu den Grundnährstoffen nährstoffreiches Vollblut enthält. Schokoladenagar wird mit wärmebehandeltem Blut (40–45 °C) angereichert, das braun wird und dem Medium seinen Namen gibt (Singh, 2022; Tankeshwar, 2022).
Eigenschaften des idealen Kulturmediums
Das erste wichtige Merkmal besteht darin, dass es leicht zu einem erschwinglichen Preis erhältlich sein und konsistente Produkte mit minimalen Chargenschwankungen produzieren sollte. Das Medium sollte in kurzer Zeit eine höhere Ausbeute des gewünschten Produkts und eine geringere Ausbeute unerwünschter Produkte liefern. Es sollte leicht zu sterilisieren sein. Es sollte gut mit dem Fermentationsprozess harmonieren und vor, während oder nach seiner Verwendung umweltfreundlich sein (Singh, 2022; Tankeshwar, 2022).
Verweise
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