环境监测中的细菌培养基物质代谢及优化方法

王旭艳

（山西焦煤汾西矿业集团有限公司）

细菌培养基主要是指为细菌生长繁殖提供多种营养成分的混合物质。一般情况下，细菌培养基是以液体、半固体以及固体等形式存在。对于培养基来说，在水处理或环境监测等应用过程中，会根据实际需求，为其增添各种各样适宜细菌生存发展的因子，促进细菌的繁殖和生长。本文对细菌培养基中营养物质的代谢和细菌培养基的优化方法进行研究。

1 细菌培养基中的营养物质及在环境监测中的作用

1.1 细菌培养基中的营养物质

在细菌培养基中，其营养物质有很多，归纳整理之后，主要分为以下两类：

1.1.1 碳源

碳源物质是细菌培养基的主要组分，由于培养基内营养物质的不同，其作用也不相同。碳源物质的主要作用，是为细菌繁殖和生长提供其所需的大量碳元素，包括有机碳源（如脂肪酸、糖类等）和无机碳源（如碳酸氢钠等）两大类。其中，微生物吸收量最大的碳源为有机碳源中的糖类。一般情况下，细菌培养过程中所用的糖类大多是葡萄糖。碳素是构成细胞的主要成分，同时也是细菌培养过程中所需的主要能源物质。

1.1.2 氮源

氮源物质是细菌培养基的重要组分。氮素是构成细菌核酸、蛋白质以及氮素化合物的主要成分，应用于细菌含氮代谢物和细胞物质的合成。主要包括两类：其一是有机氮源，主要包括牛肉膏、氨基酸、酵母粉以及蛋白胨等，成分复杂，营养丰富，但是非常不稳定，且不宜被细菌吸收利用；其二是无机氮源，主要包括硫酸铵、硝酸铵、氨水以及氯化铵等，在培养细菌过程中，细菌可以快速吸收无机氮源，但是快速利用无机氮源常常会使培养基的pH发生变化。

1.2 细菌培养在环境监测中的作用

环境监测主要是为了一个特定的目的，依据事先设计好的空间和实践，对环境信息进行收集，对相应的指标或者要素进行连续或者是间断的分析、测定和观察的过程。而利用培养基培养出来的细菌可以直接抑制有毒物质，并且其新陈代谢可以抑制有毒物质的产生。例如，利用培养基培养出来的发光细菌，可以对有毒物质进行检测。由于有毒物质只是对菌体中的发光系统进行干扰，通过发光细菌的培养测定，可以确定有毒物质的含量，以此指标判定环境优劣。在实际环境监测中，经常利用这种菌体，灵敏度高且费时较短，不仅结果准确，而且操作简便。

1.3 细菌培养中的环境监测指标

在进行环境监测或者是水处理净化过程中，涉及到非常多的指标。而需要进行细菌培养的指标有以下几种：

1.3.1 空气监测指标

对空气质量进行监测过程中，需要对其PM进行监测，这便需要用到酸性或者是碱性菌种。利用细菌培养基对这类细菌进行培养，可以最大限度地提高监测效果。

1.3.2 水质监测指标

在对水质进行监测过程中，其有关指标监测需要用到细菌培养。这是因为进行水质监测时，需要对受污染的地表水或地下水中的氨氮、氟化物、总磷、总氮、硫化物、氰化物、各类金属以及石油类化合物等进行监测，这些指标监测时需要进行细菌培养，以相应的细菌对其水质进行检查判别。

2 细菌培养基中营养物质的代谢

2.1 碳水化合物的代谢

碳水化合物是细菌培养基中碳的主要来源。细菌种类不同，其碳水化合物发酵之后的产物也有很大的差别。葡萄糖在分解过程中，可以直接分解为丙酮酸，而丙酮酸能够进一步分解成乙酰甲基甲醇、乳酸、乙酸、甲酸以及3-羟基丙醛、丁二酮、羟基丁酮、甲基乙二醛、丁烷二醇等。近年来的研究成果表明，这些代谢产物可以使细菌中存在的Ca2+浓度发生改变，利用发光蛋白检测之后，发现钙离子的通道被打开。这种情况时，宿主和细菌之间的信号传导有着非常重要的现实意义[1]。同时在Ca2+、甲基乙二醛以及丁烷二醇等共同存在于培养基中时，培养的细菌细胞质内的Ca2+下降速度会变快，表明代谢产物不仅能够将Ca2+流入通道打开，还能对Ca2+流出机制有着活化作用。

2.2 含氨基酸物质的代谢

含氨基酸物质是氮源物质的主要成分之一，同时也是细菌所需的主要氮源。而培养基中酵母粉、蛋白胨以及酪蛋白中含有大量的氨基酸。氨基酸物质的代谢产物主要有γ-谷氨酰，而细菌体内的谷氨酸转肽酶对γ-谷氨酰有着催化作用，γ-谷氨酰在分解之后，会生成半胱氨酸。而半胱氨酸又能够分解成为谷胱甘肽。谷胱甘肽在菌体内能够发生氧化反应，这样可以有效控制细菌细胞中产生的过氧化氢的数量。同时谷胱甘肽在作用时，会与半胱氨酸二硫键进行交换，在交换过程中，还原其他蛋白，有效降低氧化应激带来的影响。当菌体耗尽半胱氨酸之后，氧化应激会反弹。这样的重复循环，使的环境更适宜菌体生长。

2.3 谷氨酸物质的代谢

谷氨酸物质是提供细菌生长所需氮源的另外一种氮源物质。培养基中的谷氨酸物质在代谢之后，可以分解成为L-谷氨酸和合成抗氧化剂的前体物质。同时，在ABC型转运酶的作用下，L-谷氨酸会分解成为谷胱甘肽、半胱氨酸以及谷氨酸连接酶等。这些分解产物又会合成CSH。例如，在酸性环境中，大肠埃希菌体内的精氨酸和谷氨酸在抵抗过氧化氢产生的氧化应激时，具有非常明显的作用。除此之外，在培养基内部，GAD对谷氨酸有着催化作用，并将其转化成为GABA，也就是常说的γ-氨基丁酸。这两种物质都是相容性物质，能够在干燥、冻融、高温、离液剂、溶剂等多重作用下的应激反应中起到保护作用，主要是对细菌体内的分子结构进行保护，从而维持细菌细胞的代谢功能。

3 细菌培养基的优化方法

3.1 正交试验法

正交试验法是通过使用表格，设计一个存在相互作用、多指标、多因素，且有着随机误差的优化方法，同时利用统计方法可对试验结果进行分析。正交实验法不限制因素个数，但可定义各因素之间的相互作用关系。采用正交表可以在多种组合中，选择出一个代表性试验点，以此为基础来完成试验。在正交试验中，可能会出现一定的误差，但是由于其分布均匀、水平合理，不用重复进行试验，便可估算出其误差。因此，其最终的结果精度比较高。例如，在优化γ-GABA乳酸菌的培养基过程中，首先，将正交结果模糊化，以模糊评价值为函数对乳酸菌培养基的组成进行优化；其次，利用模拟数学方法和理论，可对试验数据进行处理；第三，对各个因素的主效应进行评估，计算出各个因素之间的最佳搭配值。在这种培养基中培养细菌96 h，其产物可以达到10.78 g/L，其细菌总数增长2倍有余[2]。

3.2 响应面试验法

响应面试验法是寻找多因素构成最佳条件的统计方法，它将统计方法和数学方法紧密地结合在一起，并且能够拟合响应全局函数与各个因素之间的关系，对于优化培养基有着非常大的作用。例如，在优化乳链菌培养基过程中，首先，利用PB设计法筛选培养基的组分，利用最陡爬坡方法找到最佳优化点；其次，根据统计学要求，对模型显著性进行检测，分析培养基组合中细菌降解率和生长量以及响应面预测模型方差，利用二次多项式对其进行计算；第三，根据计算出来的数值寻找最佳区域，然后采用二次正交组合方法对培养基组分进行配比，从而确定培养基最佳配方。利用这样的培养基，对细菌进行培养可以使营养物质的代谢率高达94.25%。

3.3 均匀设计法

在利用均匀设计法优化培养基过程中：首先，制定均匀设计表，在制定过程中，每一张表格都应该有试验安排项，同时要合理选择水平数、范围、变量等指标，在优化过程中，其试验次数需要根据影响因素多少而定，通常情况下，试验次数是影响因素数的3倍；其次，在回归分析时，要避免出现自由度误差过小、R2值过大、回归项数过多等情况，一般情况下，回归项数不得超过10，自由度误差要≥5；第三，合理应用统计点图，统计点图包括偏回归图、正态点图、高线图以及残差图等。

4 结论

综上所述，在环境监测和水处理过程中，细菌培养基中的营养物质是维持细菌生长和繁殖的基本物质，包括碳源、氮源等，它们通过新陈代谢为细菌培养提供各种所需物质。经过上述分析可知，细菌培养基中各种营养物质的代谢大体可分为两种，其一是碳源物质的代谢，其二是氮源物质的代谢。而优化培养基的方法有很多，在优化过程中，通过分析培养基中各个营养物质成分，选择合适的优化方法，可以取得更好的优化效果。