Kulturmedien
Zur Züchtung von Mikroorganismen im Labor werden unterschiedliche Nährlösungen verwendet, die Kulturmedien. Jeder Mikroorganismus hat unterschiedliche Nährstoffbedürfnisse und unterscheidet sich in der Fähigkeit, Nährstoffe aus dem Medium zu verwerten. Mikroorganismen haben unterschiedliche Stoffwechselwege, die zu unterschiedlichen Stoffwechselendprodukten führen. In jedem Fall muss die Menge und Art des Nährstoffes gut durchdacht werden, um erfolgreiches Wachstum und die Produktion der erwarteten Stoffwechselprodukten zu ermöglichen. Mehrere Parameter, die das mikrobielle Wachstum beeinflussen, sind die Nährstoffzusammensetzung, Ionenkonzentration, pH-Wert und die Temperatur.
Nährstoffe
Ein Nährstoff ist eine chemische Substanz, die von einem Organismus zum Wachsen benötigt wird. Nicht alle Nährstoffe werden in der gleichen Menge benötigt. Essentielle Elemente, die von Organismen benötigt werden, sind Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S): Die chemische Formel einer Zelle ist CH1,8O0,5N0,2 was bedeutet, dass C, H, O und N die dominierenden Nährstoffe darstellen. Außer C, N, O und H, benötigen Mikroorganismen auch viele andere Elemente, aber in geringerer Dosis. Phosphor wird normalerweise in der Form von Phosphat aufgenommen (PO42-). Er ist wichtig für Nukleinsäuren und Phospholipide. Mikroorganismen benötigen ebenfalls Elemente wie Kupfer, Eisen, Zink und Kobalt im Kulturmedium. Diese Spurenelemente werden normalerweise in der Form von Ionen zur Verfügung gestellt, die als Cofaktoren in enzymatischen Reaktionen benötigt werden. Eisen wird für die Synthese von Häm-enthaltenden Bestandteilen wie Cytochrom und der Elektronentransportkette benötigt.
Physikalische Bedingungen
Einfluss der Temperatur auf mikrobielles Wachstum
Wachstum wird als Zunahme der Anzahl an Zellen definiert. Das Wachstum von Mikroorganismen wird stark von Umweltbedingungen wie Temperatur, pH, Wasserverfügbarkeit, Sauerstoff, Druck und Strahlung beeinflusst. Um Mikroorganismen wachsen zu lassen, müssen die Umweltbedingungen und die Bestandteile des Mediums geeignet sein.
Jeder Mikroorganismus besitzt eine minimal und maximal tolerable Temperatur. Es gibt drei kritische Temperaturen für Mikroorganismen, die normalerweise von den Temperaturen, bei denen die Enzyme der Mikroorganismen funktionieren, bestimmt wird. Diese drei kritischen Temperaturen sind folgende:
- Minimale Wachstumstemperatur: die niedrigste Temperatur, bei der die Zellen sich noch immer teilen können
- Maximale Wachstumstemperatur: die höchste Temperatur, bei der sich die Zellen noch immer teilen können
- Optimale Wachstumstemperatur: die Temperatur, bei der sich die Zellen am schnellsten teilen können
Normalerweise wird durch die Erhöhung der Temperatur das Zellwachstum beschleunigt, bis die optimale Temperatur erreicht wird. Ab dieser Temperatur nimmt die Zellwachstumsrate rapide ab. Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle beim Zellwachstum, indem sie die Enzymaktivität und die Festigkeit der Zellbestandteile beeinflusst. Wenn die Temperatur steigt, finden die enzymatischen Reaktionen in der Zelle schneller statt und das Wachstum wird beschleunigt. Bei Übersteigen der optimalen Temperatur werden die Zellbestandteile jedoch beschädigt. Diese Zellschädigung kann bei hohen Temperaturen irreversibel sein und bis zum Zelltod führen. In der Nähe der minimalen Wachstumstemperatur wird das Wachstum langsamer. Eine Hypothese ist, dass die Zellmembran der Mikroorganismen steif wird und der Transport durch die Zellmembran zum Erliegen kommt. Hefezellen, die in der Industrie verwendet werden, können normalerweise zwischen 20-40°C wachsen.
Außer der Temperatur kann auch der pH-Wert, der die Azidität oder die Alkalität zum Ausdruck bringt, das Wachstum eines Mikroorganismus ebenfalls stark beeinflussen. Jeder Mikroorganismus hat einen optimalen pH-Wert. Der optimale pH-Wert für die meisten Pilze (Hefe eingeschlossen) ist leicht sauer. Der pH-Wert beeinflusst Enzyme und Proteine und kann die Denaturierung von Enzymen und Ionentransportern in der Membran beeinflussen.