王旭艷

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)有限公司）

細(xì)菌培養(yǎng)基主要是指為細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖提供多種營(yíng)養(yǎng)成分的混合物質(zhì)。一般情況下，細(xì)菌培養(yǎng)基是以液體、半固體以及固體等形式存在。對(duì)于培養(yǎng)基來說，在水處理或環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用過程中，會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，為其增添各種各樣適宜細(xì)菌生存發(fā)展的因子，促進(jìn)細(xì)菌的繁殖和生長(zhǎng)。本文對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝和細(xì)菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方法進(jìn)行研究。

1 細(xì)菌培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用

1.1 細(xì)菌培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

在細(xì)菌培養(yǎng)基中，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有很多，歸納整理之后，主要分為以下兩類：

1.1.1 碳源

碳源物質(zhì)是細(xì)菌培養(yǎng)基的主要組分，由于培養(yǎng)基內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不同，其作用也不相同。碳源物質(zhì)的主要作用，是為細(xì)菌繁殖和生長(zhǎng)提供其所需的大量碳元素，包括有機(jī)碳源（如脂肪酸、糖類等）和無機(jī)碳源（如碳酸氫鈉等）兩大類。其中，微生物吸收量最大的碳源為有機(jī)碳源中的糖類。一般情況下，細(xì)菌培養(yǎng)過程中所用的糖類大多是葡萄糖。碳素是構(gòu)成細(xì)胞的主要成分，同時(shí)也是細(xì)菌培養(yǎng)過程中所需的主要能源物質(zhì)。

1.1.2 氮源

氮源物質(zhì)是細(xì)菌培養(yǎng)基的重要組分。氮素是構(gòu)成細(xì)菌核酸、蛋白質(zhì)以及氮素化合物的主要成分，應(yīng)用于細(xì)菌含氮代謝物和細(xì)胞物質(zhì)的合成。主要包括兩類：其一是有機(jī)氮源，主要包括牛肉膏、氨基酸、酵母粉以及蛋白胨等，成分復(fù)雜，營(yíng)養(yǎng)豐富，但是非常不穩(wěn)定，且不宜被細(xì)菌吸收利用；其二是無機(jī)氮源，主要包括硫酸銨、硝酸銨、氨水以及氯化銨等，在培養(yǎng)細(xì)菌過程中，細(xì)菌可以快速吸收無機(jī)氮源，但是快速利用無機(jī)氮源常常會(huì)使培養(yǎng)基的pH發(fā)生變化。

1.2 細(xì)菌培養(yǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用

環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是為了一個(gè)特定的目的，依據(jù)事先設(shè)計(jì)好的空間和實(shí)踐，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行收集，對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)或者要素進(jìn)行連續(xù)或者是間斷的分析、測(cè)定和觀察的過程。而利用培養(yǎng)基培養(yǎng)出來的細(xì)菌可以直接抑制有毒物質(zhì)，并且其新陳代謝可以抑制有毒物質(zhì)的產(chǎn)生。例如，利用培養(yǎng)基培養(yǎng)出來的發(fā)光細(xì)菌，可以對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。由于有毒物質(zhì)只是對(duì)菌體中的發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)行干擾，通過發(fā)光細(xì)菌的培養(yǎng)測(cè)定，可以確定有毒物質(zhì)的含量，以此指標(biāo)判定環(huán)境優(yōu)劣。在實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)中，經(jīng)常利用這種菌體，靈敏度高且費(fèi)時(shí)較短，不僅結(jié)果準(zhǔn)確，而且操作簡(jiǎn)便。

1.3 細(xì)菌培養(yǎng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)

在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)或者是水處理凈化過程中，涉及到非常多的指標(biāo)。而需要進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)的指標(biāo)有以下幾種：

1.3.1 空氣監(jiān)測(cè)指標(biāo)

對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中，需要對(duì)其PM進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這便需要用到酸性或者是堿性菌種。利用細(xì)菌培養(yǎng)基對(duì)這類細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，可以最大限度地提高監(jiān)測(cè)效果。

1.3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中，其有關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)需要用到細(xì)菌培養(yǎng)。這是因?yàn)檫M(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要對(duì)受污染的地表水或地下水中的氨氮、氟化物、總磷、總氮、硫化物、氰化物、各類金屬以及石油類化合物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些指標(biāo)監(jiān)測(cè)時(shí)需要進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)，以相應(yīng)的細(xì)菌對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行檢查判別。

2 細(xì)菌培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝

2.1 碳水化合物的代謝

碳水化合物是細(xì)菌培養(yǎng)基中碳的主要來源。細(xì)菌種類不同，其碳水化合物發(fā)酵之后的產(chǎn)物也有很大的差別。葡萄糖在分解過程中，可以直接分解為丙酮酸，而丙酮酸能夠進(jìn)一步分解成乙酰甲基甲醇、乳酸、乙酸、甲酸以及3-羥基丙醛、丁二酮、羥基丁酮、甲基乙二醛、丁烷二醇等。近年來的研究成果表明，這些代謝產(chǎn)物可以使細(xì)菌中存在的Ca2+濃度發(fā)生改變，利用發(fā)光蛋白檢測(cè)之后，發(fā)現(xiàn)鈣離子的通道被打開。這種情況時(shí)，宿主和細(xì)菌之間的信號(hào)傳導(dǎo)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。同時(shí)在Ca2+、甲基乙二醛以及丁烷二醇等共同存在于培養(yǎng)基中時(shí)，培養(yǎng)的細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+下降速度會(huì)變快，表明代謝產(chǎn)物不僅能夠?qū)a2+流入通道打開，還能對(duì)Ca2+流出機(jī)制有著活化作用。

2.2 含氨基酸物質(zhì)的代謝

含氨基酸物質(zhì)是氮源物質(zhì)的主要成分之一，同時(shí)也是細(xì)菌所需的主要氮源。而培養(yǎng)基中酵母粉、蛋白胨以及酪蛋白中含有大量的氨基酸。氨基酸物質(zhì)的代謝產(chǎn)物主要有γ-谷氨酰，而細(xì)菌體內(nèi)的谷氨酸轉(zhuǎn)肽酶對(duì)γ-谷氨酰有著催化作用，γ-谷氨酰在分解之后，會(huì)生成半胱氨酸。而半胱氨酸又能夠分解成為谷胱甘肽。谷胱甘肽在菌體內(nèi)能夠發(fā)生氧化反應(yīng)，這樣可以有效控制細(xì)菌細(xì)胞中產(chǎn)生的過氧化氫的數(shù)量。同時(shí)谷胱甘肽在作用時(shí)，會(huì)與半胱氨酸二硫鍵進(jìn)行交換，在交換過程中，還原其他蛋白，有效降低氧化應(yīng)激帶來的影響。當(dāng)菌體耗盡半胱氨酸之后，氧化應(yīng)激會(huì)反彈。這樣的重復(fù)循環(huán)，使的環(huán)境更適宜菌體生長(zhǎng)。

2.3 谷氨酸物質(zhì)的代謝

谷氨酸物質(zhì)是提供細(xì)菌生長(zhǎng)所需氮源的另外一種氮源物質(zhì)。培養(yǎng)基中的谷氨酸物質(zhì)在代謝之后，可以分解成為L(zhǎng)-谷氨酸和合成抗氧化劑的前體物質(zhì)。同時(shí)，在ABC型轉(zhuǎn)運(yùn)酶的作用下，L-谷氨酸會(huì)分解成為谷胱甘肽、半胱氨酸以及谷氨酸連接酶等。這些分解產(chǎn)物又會(huì)合成CSH。例如，在酸性環(huán)境中，大腸埃希菌體內(nèi)的精氨酸和谷氨酸在抵抗過氧化氫產(chǎn)生的氧化應(yīng)激時(shí)，具有非常明顯的作用。除此之外，在培養(yǎng)基內(nèi)部，GAD對(duì)谷氨酸有著催化作用，并將其轉(zhuǎn)化成為GABA，也就是常說的γ-氨基丁酸。這兩種物質(zhì)都是相容性物質(zhì)，能夠在干燥、凍融、高溫、離液劑、溶劑等多重作用下的應(yīng)激反應(yīng)中起到保護(hù)作用，主要是對(duì)細(xì)菌體內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，從而維持細(xì)菌細(xì)胞的代謝功能。

3 細(xì)菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方法

3.1 正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)法是通過使用表格，設(shè)計(jì)一個(gè)存在相互作用、多指標(biāo)、多因素，且有著隨機(jī)誤差的優(yōu)化方法，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)方法可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。正交實(shí)驗(yàn)法不限制因素個(gè)數(shù)，但可定義各因素之間的相互作用關(guān)系。采用正交表可以在多種組合中，選擇出一個(gè)代表性試驗(yàn)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)來完成試驗(yàn)。在正交試驗(yàn)中，可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，但是由于其分布均勻、水平合理，不用重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，便可估算出其誤差。因此，其最終的結(jié)果精度比較高。例如，在優(yōu)化γ-GABA乳酸菌的培養(yǎng)基過程中，首先，將正交結(jié)果模糊化，以模糊評(píng)價(jià)值為函數(shù)對(duì)乳酸菌培養(yǎng)基的組成進(jìn)行優(yōu)化；其次，利用模擬數(shù)學(xué)方法和理論，可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；第三，對(duì)各個(gè)因素的主效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算出各個(gè)因素之間的最佳搭配值。在這種培養(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)菌96 h，其產(chǎn)物可以達(dá)到10.78 g/L，其細(xì)菌總數(shù)增長(zhǎng)2倍有余[2]。

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)法

響應(yīng)面試驗(yàn)法是尋找多因素構(gòu)成最佳條件的統(tǒng)計(jì)方法，它將統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)學(xué)方法緊密地結(jié)合在一起，并且能夠擬合響應(yīng)全局函數(shù)與各個(gè)因素之間的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化培養(yǎng)基有著非常大的作用。例如，在優(yōu)化乳鏈菌培養(yǎng)基過程中，首先，利用PB設(shè)計(jì)法篩選培養(yǎng)基的組分，利用最陡爬坡方法找到最佳優(yōu)化點(diǎn)；其次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)要求，對(duì)模型顯著性進(jìn)行檢測(cè)，分析培養(yǎng)基組合中細(xì)菌降解率和生長(zhǎng)量以及響應(yīng)面預(yù)測(cè)模型方差，利用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算；第三，根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)值尋找最佳區(qū)域，然后采用二次正交組合方法對(duì)培養(yǎng)基組分進(jìn)行配比，從而確定培養(yǎng)基最佳配方。利用這樣的培養(yǎng)基，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)可以使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的代謝率高達(dá)94.25%。

3.3 均勻設(shè)計(jì)法

在利用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化培養(yǎng)基過程中：首先，制定均勻設(shè)計(jì)表，在制定過程中，每一張表格都應(yīng)該有試驗(yàn)安排項(xiàng)，同時(shí)要合理選擇水平數(shù)、范圍、變量等指標(biāo)，在優(yōu)化過程中，其試驗(yàn)次數(shù)需要根據(jù)影響因素多少而定，通常情況下，試驗(yàn)次數(shù)是影響因素?cái)?shù)的3倍；其次，在回歸分析時(shí)，要避免出現(xiàn)自由度誤差過小、R2值過大、回歸項(xiàng)數(shù)過多等情況，一般情況下，回歸項(xiàng)數(shù)不得超過10，自由度誤差要≥5；第三，合理應(yīng)用統(tǒng)計(jì)點(diǎn)圖，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)圖包括偏回歸圖、正態(tài)點(diǎn)圖、高線圖以及殘差圖等。

4 結(jié)論

綜上所述，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和水處理過程中，細(xì)菌培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是維持細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖的基本物質(zhì)，包括碳源、氮源等，它們通過新陳代謝為細(xì)菌培養(yǎng)提供各種所需物質(zhì)。經(jīng)過上述分析可知，細(xì)菌培養(yǎng)基中各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝大體可分為兩種，其一是碳源物質(zhì)的代謝，其二是氮源物質(zhì)的代謝。而優(yōu)化培養(yǎng)基的方法有很多，在優(yōu)化過程中，通過分析培養(yǎng)基中各個(gè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成分，選擇合適的優(yōu)化方法，可以取得更好的優(yōu)化效果。