Bakterien benötigen für ihr Wachstum bestimmte Nährstoffe, und die Kulturmedien sind so formuliert, dass sie diesen Nährstoffbedarf decken. Das Verständnis der Nährstoffanforderungen und Medientypen ist für die Kultivierung, Isolierung und Identifizierung von Mikroorganismen im Labor von entscheidender Bedeutung.
Nährstoffbedarf
Zu den Makronährstoffen gehören Kohlenstoff (das am häufigsten vorkommende Element, 50 % des Trockengewichts), Stickstoff (für Proteine und Nukleinsäuren, 12–15 % des Trockengewichts), Phosphor (für Nukleinsäuren und ATP), Schwefel (für Aminosäuren und Cofaktoren) und Mineralien wie Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺ und Fe²⁺. Zu den Mikronährstoffen (Spurenelementen) gehören Eisen, Zink, Mangan, Kupfer, Kobalt, Molybdän und Nickel, die in mikromolaren oder nanomolaren Konzentrationen für die Enzymfunktion benötigt werden. Wachstumsfaktoren sind organische Verbindungen, die Bakterien nicht synthetisieren können, darunter Vitamine (Biotin, Thiamin, B₁₂), Aminosäuren, Purine und Pyrimidine.
Nährwertklassifizierung
Autotrophe nutzen CO₂ als einzige Kohlenstoffquelle; Photoautotrophe gewinnen Energie aus Licht (Cyanobakterien), während Chemoautotrophe Energie aus anorganischen Verbindungen (Nitrosomonas, Nitrobacter) gewinnen. Heterotrophe benötigen organische Kohlenstoffverbindungen – Photoheterotrophe benötigen Licht, benötigen aber organischen Kohlenstoff (einige Purpurbakterien), und Chemoheterotrophe gewinnen sowohl Energie als auch Kohlenstoff aus organischen Verbindungen (die meisten pathogenen Bakterien). Prototrophe können alle notwendigen organischen Verbindungen aus einfachen Kohlenstoffquellen synthetisieren, während Auxotrophe aufgrund von Mutationen die Fähigkeit verloren haben, einen oder mehrere essentielle Wachstumsfaktoren zu synthetisieren.
Arten von Kulturmedien
Komplexe Medien enthalten undefinierte Inhaltsstoffe wie Peptone (enzymatische Proteinverdauung), Hefeextrakt, Rindfleischextrakt und Kaseinhydrolysat; Nähragar, Trypton-Soja-Agar (TSA) und Luria-Bertani-Brühe (LB) sind gängige Beispiele. In definierten (synthetischen) Medien sind alle Komponenten chemisch definiert und werden für Ernährungsstudien und Stoffwechselforschung verwendet – M9-Minimalmedium enthält Salze, Glucose und NH₄Cl. Angereicherte Medien sind nährstoffreiche Medien, die anspruchsvolle Organismen unterstützen; Beispiele hierfür sind Blutagar (TSA mit 5 % Schafblut) und Schokoladenagar (erhitzter Blutagar für Neisseria und Haemophilus).
Selektive und differenzielle Medien
Selektive Medien enthalten Inhibitoren, die unerwünschte Mikroorganismen unterdrücken und gleichzeitig das Wachstum von Zielorganismen ermöglichen. MacConkey-Agar verwendet Gallensalze und Kristallviolett, um Gram-positive Bakterien zu hemmen und auf Gram-negative zu selektieren; Mannit-Salz-Agar verwendet 7,5 % NaCl zur Selektion auf Staphylokokken. Differenzialmedien unterscheiden anhand der Stoffwechselaktivität zwischen verschiedenen Arten von Mikroorganismen – MacConkey-Agar zeigt Laktosefermenter rosa oder rot und Nichtfermenter farblos, während EMB-Agar E ergibt. coli hat einen grünen metallischen Schimmer. Selektive und differenzielle Eigenschaften werden oft in einem einzigen Medium kombiniert, wie zum Beispiel beim MacConkey-Agar.
Spezialisierte Medien
Anaerobe Medien sorgen für eine sauerstoffreduzierte Umgebung mit Reduktionsmitteln (Cystein, Natriumthioglykolat) und Resazurin als Redoxindikator; Gekochtes Fleischmedium und Thioglycolatbrühe unterstützen obligate Anaerobier. Transportmedien erhalten die Lebensfähigkeit empfindlicher Organismen während des Transports, ohne das Wachstum zu fördern – Stuart-Medium und Cary-Blair-Medium konservieren Krankheitserreger für die klinische Laboranalyse. Indikatormedien enthalten Substrate und Indikatoren, die als Reaktion auf bestimmte enzymatische Aktivitäten eine sichtbare Veränderung hervorrufen; Triple Sugar Iron (TSI)-Agar testet die Kohlenhydratfermentation und die H₂S-Produktion.
Sterilisation von Medien
Das Autoklavieren bei 121 °C für 15 Minuten ist die Standardmethode zum Sterilisieren hitzestabiler Medien, während glukosehaltige Medien bei reduzierter Temperatur (115 °C) autoklaviert werden, um eine Karamellisierung zu verhindern. Hitzeempfindliche Medien (z. B. solche, die Serum, Antibiotika oder Vitamine enthalten) werden durch Membranfiltration mit einer Porengröße von 0,22 µm sterilisiert. Zur Qualitätskontrolle wird jede Mediumcharge durch 48-stündige Inkubation bei 35 °C auf Sterilität und unter Verwendung von Referenzstämmen (ATCC-Kulturen) auf Wachstumsunterstützung getestet.
Faktoren, die das Wachstum in der Kultur beeinflussen
Die Temperaturklassifizierung umfasst Psychrophile (−5 bis 20 °C), Mesophile (20–45 °C, einschließlich der meisten Krankheitserreger bei 35–37 °C), Thermophile (45–80 °C) und Hyperthermophile (>80 °C). Die meisten Bakterien wachsen optimal bei einem pH-Wert von 6,5–7,5, obwohl Acidophile (z. B. Lactobacillus, Helicobacter) einen pH-Wert von 2–5 und Alkaliphile (z. B. Vibrio cholerae) einen pH-Wert von 8–10 bevorzugen. Bezüglich des Sauerstoffbedarfs benötigen obligate Aerobier O₂, obligate Anaerobier werden durch O₂ abgetötet, fakultative Anaerobier wachsen mit oder ohne O₂ und Mikroaerophile benötigen reduziertes O₂ (5–10 %).
