6.5 Nährstoffbedingungen

Ein weiterer wichtiger Faktor für die (Über-)Lebens- und Kultivierungsfähigkeit von Mikroorganismen sind die Nährstoffbedingungen. Nährstoffe sind besonders wichtig für den Energiegewinn (v. a. Kohlenhydrate) und als Grundstoffe zum Aufbau zelleigener Verbindungen, z. B. Kohlenhydrate, Proteine (darunter viele Enzyme), Lipide, DNA bzw. RNA, etc. Energetisch besonders effizient sind Nährstoffdarreichungen, welche die selbe Zusammensetzung wie die zu kultivieren¬den Organismen zeigen, auch wenn diese so oftmals nicht eingesetzt werden können.

Zellen (hier am Beispiel einer Bakterienzelle) bestehen zu ca. 80 % aus H₂O und nur zu 20 % aus festen Bestandteilen (Trockenmasse) (0 % Kohlenstoff, 20 % Sauerstoff, 14 % Stickstoff, 8 % Wasserstoff, 3 % Phosphor, 1 % Iod, 1 % Kalium, 1 % Natrium, 1 % Calcium, Magnesium und Aluminium sowie sonstiger Spurenelemente wie z. B. Eisen, Kupfer, Cobalt, Zinn, Nickel, Mangan, Chlor). Die wichtigsten Elemente sind also

• C, H, O (in allen organischen Verbindungen),
• N (in Proteinen [Aminosäuren], DNA bzw. RNA [Basen der Nukleotide], Energieträger [ATP, ADP], Porphyrine),
• S (in Proteinen [Aminosäuren Cystein und Methionin]) und
• P (als Phosphatrest in Nukleotiden von DNA und RNA, in manchen Proteinen, in Energieträgern [ATP, ADP], in Phospholipiden [der Zellmembran]) sowie
• Mineralstoffe (organische Ionen in der Zelle, auch Spurenelemente), die mengenmäßig zwar nur einen geringen Anteil an der Nährstoffmenge ausmacht, der jedoch aufgrund wichtiger Funktionsweisen (z. B. als Cofaktoren) als Nährstoff mit entscheidend ist.

Nach ihrer Ladung werden unterschieden:

• Kationen (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Al³⁺)
• Anionen (Cl^-, HCO₃^-)

Die Kat- und Anionen stellen Cofaktoren für viele Enzyme (funktionieren nur in Anwesenheit bestimmter Metallionen) dar, können über Rezeptorproteine in der Zellmembran bestimmte Poren öffnen, über die Ionen ein- oder ausströmen können (Zellantwort auf äußere Bedingungen) und werden zum Ladungsausgleich benötigt.

In Nährmedien werden die Makroelemente in Form anorganischer oder organischer Verbindungen zugegeben. Die Spurenelemente sind i. d. R. bereits in als Beimischungen der Makroelemente und im zugesetzten Wasser enthalten. Beliebte und häufige Nährstoffzusätze organischer Art sind

• Heißwasserextrakte aus Zellen bestimmter Gewebe (z. B. Hefeextrakt, Maisextrakt, Malzextrakt, etc.) in Pulverform. Sie enthalten alle für die Kultivation von Mikroorganismen notwendigen Nährstoffe.
• Peptone und Tryptone. Sie entstehen durch unvollständige Verdauung von Eiweißen mit dem Enzym Pepsin bzw. Trypsin. Als Verdauungsprodukte sind Peptide und Aminosäuren, Phosphat (viele tierische Proteine enthalten Phosphatgruppen), Zucker (an vielen tierischen Proteinen hängen Zuckerketten, Glycoproteine) sowie Vitamine und Mineralstoffe (viele tierische Enzyme enthalten Coenzyme und Cofaktoren).

Manche Mikroorganismen benötigen keine N-Quelle, da sie den Luftstickstoff (N₂) verwerten können, der dann zunächst in NH₄⁺-Ionen umgewandelt wird (biologische N₂-Fixierung, z. B. bei Rhizobium, den meisten Clostridien), oder keine C-Quelle, da sie aus CO₂ (aus der Luft oder von Gärern) selbst C-Verbindungen aufbauen können (C-autotroph). Der Energiegewinn Letzterer erfolgt aus dem Abbau anorganischer Verbindungen. (Die aus CO₂ gebildeten C-Verbindungen werden für den Zellaufbau benötigt.) Für die Kultivierung solcher Mikroben ist dann der Zusatz von N- bzw. C-haltigen Verbindungen nicht nötig bzw. sogar hinderlich.

Des Weiteren sind manche Mikroorganismen, v. a. Mutanten, nicht in der Lage aus einfachen Verbindungen eines bereitgestellten Nährmediums Zellbausteine (z. B. Aminosäuren, Vitamin, Nukleotide) selbst aufzubauen. Sie sind auxotroph, d. h. sie benötigen die betreffenden Verbindungen im Nährmedium direkt angeboten. Der Wildtyp ist im Gegensatz dazu prototroph für die betreffende Verbindung, z. B. leu^- als auxotrophe Mangelmutante und leu⁺ als prototropher Wildtyp für Leucin.