環(huán)境監(jiān)測中的細菌培養(yǎng)基物質代謝及優(yōu)化方法

王旭艷

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團有限公司）

細菌培養(yǎng)基主要是指為細菌生長繁殖提供多種營養(yǎng)成分的混合物質。一般情況下，細菌培養(yǎng)基是以液體、半固體以及固體等形式存在。對于培養(yǎng)基來說，在水處理或環(huán)境監(jiān)測等應用過程中，會根據(jù)實際需求，為其增添各種各樣適宜細菌生存發(fā)展的因子，促進細菌的繁殖和生長。本文對細菌培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質的代謝和細菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方法進行研究。

1 細菌培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質及在環(huán)境監(jiān)測中的作用

1.1 細菌培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質

在細菌培養(yǎng)基中，其營養(yǎng)物質有很多，歸納整理之后，主要分為以下兩類：

1.1.1 碳源

碳源物質是細菌培養(yǎng)基的主要組分，由于培養(yǎng)基內營養(yǎng)物質的不同，其作用也不相同。碳源物質的主要作用，是為細菌繁殖和生長提供其所需的大量碳元素，包括有機碳源（如脂肪酸、糖類等）和無機碳源（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碳源中的糖類。一般情況下，細菌培養(yǎng)過程中所用的糖類大多是葡萄糖。碳素是構成細胞的主要成分，同時也是細菌培養(yǎng)過程中所需的主要能源物質。

1.1.2 氮源

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

1.2 細菌培養(yǎng)在環(huán)境監(jiān)測中的作用

環(huán)境監(jiān)測主要是為了一個特定的目的，依據(jù)事先設計好的空間和實踐，對環(huán)境信息進行收集，對相應的指標或者要素進行連續(xù)或者是間斷的分析、測定和觀察的過程。而利用培養(yǎng)基培養(yǎng)出來的細菌可以直接抑制有毒物質，并且其新陳代謝可以抑制有毒物質的產(chǎn)生。例如，利用培養(yǎng)基培養(yǎng)出來的發(fā)光細菌，可以對有毒物質進行檢測。由于有毒物質只是對菌體中的發(fā)光系統(tǒng)進行干擾，通過發(fā)光細菌的培養(yǎng)測定，可以確定有毒物質的含量，以此指標判定環(huán)境優(yōu)劣。在實際環(huán)境監(jiān)測中，經(jīng)常利用這種菌體，靈敏度高且費時較短，不僅結果準確，而且操作簡便。

1.3 細菌培養(yǎng)中的環(huán)境監(jiān)測指標

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

1.3.1 空氣監(jiān)測指標

對空氣質量進行監(jiān)測過程中，需要對其PM進行監(jiān)測，這便需要用到酸性或者是堿性菌種。利用細菌培養(yǎng)基對這類細菌進行培養(yǎng)，可以最大限度地提高監(jiān)測效果。

1.3.2 水質監(jiān)測指標

在對水質進行監(jiān)測過程中，其有關指標監(jiān)測需要用到細菌培養(yǎng)。這是因為進行水質監(jiān)測時，需要對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行監(jiān)測，這些指標監(jiān)測時需要進行細菌培養(yǎng)，以相應的細菌對其水質進行檢查判別。

2 細菌培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質的代謝

2.1 碳水化合物的代謝

碳水化合物是細菌培養(yǎng)基中碳的主要來源。細菌種類不同，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)物可以使細菌中存在的Ca2+濃度發(fā)生改變，利用發(fā)光蛋白檢測之后，發(fā)現(xiàn)鈣離子的通道被打開。這種情況時，宿主和細菌之間的信號傳導有著非常重要的現(xiàn)實意義[1]。同時在Ca2+、甲基乙二醛以及丁烷二醇等共同存在于培養(yǎng)基中時，培養(yǎng)的細菌細胞質內的Ca2+下降速度會變快，表明代謝產(chǎn)物不僅能夠將Ca2+流入通道打開，還能對Ca2+流出機制有著活化作用。

2.2 含氨基酸物質的代謝

含氨基酸物質是氮源物質的主要成分之一，同時也是細菌所需的主要氮源。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。氨基酸物質的代謝產(chǎn)物主要有γ-谷氨酰，而細菌體內的谷氨酸轉肽酶對γ-谷氨酰有著催化作用，γ-谷氨酰在分解之后，會生成半胱氨酸。而半胱氨酸又能夠分解成為谷胱甘肽。谷胱甘肽在菌體內能夠發(fā)生氧化反應，這樣可以有效控制細菌細胞中產(chǎn)生的過氧化氫的數(shù)量。同時谷胱甘肽在作用時，會與半胱氨酸二硫鍵進行交換，在交換過程中，還原其他蛋白，有效降低氧化應激帶來的影響。當菌體耗盡半胱氨酸之后，氧化應激會反彈。這樣的重復循環(huán)，使的環(huán)境更適宜菌體生長。

2.3 谷氨酸物質的代謝

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

3 細菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方法

3.1 正交試驗法

正交試驗法是通過使用表格，設計一個存在相互作用、多指標、多因素，且有著隨機誤差的優(yōu)化方法，同時利用統(tǒng)計方法可對試驗結果進行分析。正交實驗法不限制因素個數(shù)，但可定義各因素之間的相互作用關系。采用正交表可以在多種組合中，選擇出一個代表性試驗點，以此為基礎來完成試驗。在正交試驗中，可能會出現(xiàn)一定的誤差，但是由于其分布均勻、水平合理，不用重復進行試驗，便可估算出其誤差。因此，其最終的結果精度比較高。例如，在優(yōu)化γ-GABA乳酸菌的培養(yǎng)基過程中，首先，將正交結果模糊化，以模糊評價值為函數(shù)對乳酸菌培養(yǎng)基的組成進行優(yōu)化；其次，利用模擬數(shù)學方法和理論，可對試驗數(shù)據(jù)進行處理；第三，對各個因素的主效應進行評估，計算出各個因素之間的最佳搭配值。在這種培養(yǎng)基中培養(yǎng)細菌96 h，其產(chǎn)物可以達到10.78 g/L，其細菌總數(shù)增長2倍有余[2]。

3.2 響應面試驗法

響應面試驗法是尋找多因素構成最佳條件的統(tǒng)計方法，它將統(tǒng)計方法和數(shù)學方法緊密地結合在一起，并且能夠擬合響應全局函數(shù)與各個因素之間的關系，對于優(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設計法篩選培養(yǎng)基的組分，利用最陡爬坡方法找到最佳優(yōu)化點；其次，根據(jù)統(tǒng)計學要求，對模型顯著性進行檢測，分析培養(yǎng)基組合中細菌降解率和生長量以及響應面預測模型方差，利用二次多項式對其進行計算；第三，根據(jù)計算出來的數(shù)值尋找最佳區(qū)域，然后采用二次正交組合方法對培養(yǎng)基組分進行配比，從而確定培養(yǎng)基最佳配方。利用這樣的培養(yǎng)基，對細菌進行培養(yǎng)可以使營養(yǎng)物質的代謝率高達94.25%。

3.3 均勻設計法

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

4 結論

綜上所述，在環(huán)境監(jiān)測和水處理過程中，細菌培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質是維持細菌生長和繁殖的基本物質，包括碳源、氮源等，它們通過新陳代謝為細菌培養(yǎng)提供各種所需物質。經(jīng)過上述分析可知，細菌培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)物質的代謝大體可分為兩種，其一是碳源物質的代謝，其二是氮源物質的代謝。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)基中各個營養(yǎng)物質成分，選擇合適的優(yōu)化方法，可以取得更好的優(yōu)化效果。