Розподіл мікроорганізмів за їх відношенням до температури

Вплив факторів довкілля на мікроорганізми

Умови довкілля мають важливе значення для життєдіяльності мікро­організмів. Серед факторів, які впливають на життєдіяльність мікроорганіз­мів, виділяють: фізичні, фізико-хімічні та хімічні (рис. 109).

Для прокаріот характерна здатність існувати у значно ширшому діапа­зоні змін умов середовища, ніж в еукаріот. Організми широкої пристосова­ності називають еврібіонтними (або еврітопними), а вузької пристосованості – стенобіонтними (або стенотопними).

Температура.Існування мікроорганізмів у значній мірі визначається температурою довкілля. Як і всі живі істоти вони мають свій температурний діапазон, обмежений мінімальними і максимальними значеннями. За відно­шенням до температури мікроорганізми поділяють на декілька груп (табл. 18): психрофіли, (грец. psychria – холод); мезофіли (грец. mesos – проміж­ний); термофіли, термотолеранти (грец. thermо – тепло).

Таблиця 18

Розподіл мікроорганізмів за їх відношенням до температури

Група мікроорганізмів	Температура, 0С
мінімум	оптимум	максимум
Психрофіли	облігатні	0 і нижче	5-15	20-22
факультативні		25-30	30-35
Мезофіли	10-15	30-45	35-47
Термофіли	40-45	55-75	60-105

Психрофіли не є рідкісними формами з огляду на те, що полярні ре­гіони займають лише 14% поверхні Землі. Мікроорганізми, які не лише здат­ні переносити низьку температуру, але й надають їй перевагу для свого роз­витку виявляються також у ґрунті різних широт, водах морів та океанів, де температура на дні коливається у межах 1-2⁰С, а на поверхні до 5⁰С. Психро­фільні мікроорганізми поділяють на облігатні і факультативні.

В облігатних психрофілів мінімальна температура розвитку знахо­диться біля 0°С і нижче, а максимальна досягає 20°С. Оптимальна темпера­тура, яка необхідна для життєдіяльності цієї групи мікроорганізмів 5-15°С, при температурі 25⁰С вони гинуть. До облігатних психрофілів відносять Vibrio marinus, Bacillus psychrophilus, Spirillum pleomorphum. Облігатні пси­хрофіли виділені із сухих долин південної Антарктиди та з арктичних морів.

До факультативних психрофіліввідносять мікроорганізми, темпера­турний оптимум яких майже такий як мезофілів, але вони здатні розвиватись і при температурі 0⁰С. Психрофіли знайдено серед бактерій (Acinetobacter, Aerobacter, Azotobacter, Alcaligenes, Aeromonas, Arthrobacter, Bacillus, Chro­mobacterium, Clostridium, Cytophaga, Corynebacterium, Flavobacterium, Micro­coccus, Nitrobacter, Nitrosomonas, Proteus, Pseudomonas, Vibrio) та грибів ро­дів Stenphylium, Cladosporium, Olvularium та ін.

Причини загибелі мікроорганізмів при низьких температурах пов’я­зують із “застиганням” мембран, втратою ними текучості та зупинкою тран­сляції через відсутність гідрофобних взаємодій між рибосомами, блокування ферментів.

Серед механізмів низькотемпературної адаптаціїпсихрофілів виділяють такі, як:

- збільшення вмісту ненасичених жирних кислот фосфоліпідів у складі ци­топлазматичної мембрани (у глибоководних психрофілів у мембранах виз­начаються незвичні для бактерій поліненасичені жирні кислоти);

- зменшення довжини і водночас збільшення галуження ланцюгів жирних кислот фосфоліпідів у складі ЦПМ;

- стабільність ферментних систем, що забезпечується заміною в біл­ках окремих амінокислот.

Більшість відомих видів прокаріот відноситься до мезофілів, які мають температурний оптимум 30-450С. Мезофільні бактерії широко роз­повсюджені у природі. Це типові мешканці ґрунтів та представники мікро­ біоценозу людини. Класичним представником серед мезофілів є E. coli: ниж­ня межа росту 100С, верхня 420С, оптимальна температура 370С. Патогенні для людини і теплокровних тварин мікроорганізми мають температурний оптимум розвитку біля 370С.

Мікроорганізми, які розвиваються при 700С і вище називають тер­мофілами. В межах цієї групи виділяють декілька підгруп: термотолерантні, облігатні, факультативні й екстремальні термофіли.

Мікроорганізми, температурний оптимум яких наближається до тако­го мезофілів (35-50⁰С), але які здатні розмножуватись і при більш високій температурі (70⁰С) називають термотолерантними. До них відносяться деякі представники спороутворюючих бактерій, наприклад, Clostridium (ростуть у межах 10-70⁰С), Desulfotomaculum (температурний діапазон 20-70⁰С, опти­мум – 30-55⁰С), гриби родів Aspergillus, Culvularia, Stenfilium.

Факультативні термофіли мають температурний оптимум значно ви­щий, ніж мезофіли, але здатні розвиватися і при 20⁰С. Це представники спо­роутворюючих бактерій: Bacillus stearothermophilus (t_opt 50-65°С); Desulfoto­macullum nigrificans (t_opt 55°С); Clostridium thermocellum (t_opt 55-60°С, а також актиноміцети родів Pseudonocardia, Actinomadura, Microbispora, Micropoly­spora, Saccharomonospora, Streptomyces, Thermoactinomyces, Thermomonospo­ra, які мають t_opt >50°С.

З термальних джерел, температура яких досягає 70-90⁰С виділені облігатні термофіли. Особливістю цих мікроорганізмів є те, що вони не здатні розвиватися при температурі нижче 40-50⁰С. Відомими термофілами є: Thermus aquaticus (t_opt 70-75°С), Bacillus acidocaldarius (t_opt 60-65°С), B. cal­dolyticus (t_opt 65-80°С), Thermomicrobium roseum (t_opt 70-75°С), Thermo­anaerobium brockii (t_opt 70°С), Dictyoglomus thermophilum (t_opt 73-78°С).

Мікроорганізми, температурний оптимум яких наближається або зна­ходиться у межах температури кипіння води, відносять до екстремальних термофілів. Представники екстремальних термофілів об’єднані у групу 35 де­в’ятого видання Визначника бактерій Берджі і представлені паличкоподіб­ними, нитчастими, кулястими, дископодібними грамнегативними бактеріями, які не утворюють спор і температурний оптимум росту яких 75-105⁰С. Так, у киплячих сольфатарних водах в Ісландії та Італії виділені паличкоподібні клітини Pyrobaculum islandicum, температурний оптимум яких 100⁰С. З під­водних каналів гідротерм на морському дні виділені дископодібні бактерії Pyrodictium oсcultum (t_опт. – 105⁰С). Конічні утворення із сульфідів металів у рифових зонах середньо-океанічних хребтів, так звані “чорні курильники”, виливають термальні розчини, температура яких досягає 350°С, і які не закипають із причини високого тиску. Їх біоценози ще мало вивчені, але в них знайдені паличкоподібні бактерії, які також можуть бути прикладом екстремальних термофілів.

Вивчення механізмів, які забезпечують існування мікроорганізмів при високих температурах, має значний інтерес. Проведені дослідження показа­ли, що термофілія включає різні молекулярні механізми і не може бути пояс­неною лише якою-небудь однією властивістю організму. Запропоновано де­кілька гіпотез для пояснення природи термофілії:

- наявність дибіфітаніл-дигліцеринтетраефірів замість фосфоліпідів у мем­бранах архебактерій;

- збільшення вмісту насичених жирних кислот у фосфоліпідах у складі ци­топлазматичної мембрани;

- збільшення довжини і водночас збільшення галуження ланцюгів жирних кислот фосфоліпідів у складі ЦПМ;

- термостабільність ферментів, яка забезпечується: заміною в білках окре­мих амінокислот для підсилення внутрішньомолекулярних взаємодій; ста­білізацією ферментів у присутності іонів Mg²⁺, NH₄⁺ ,Ca²⁺;

- здатність синтезувати ферменти подібної субстратної специфічності, але з різним температурним оптимумом;

- синтез білків теплового шоку;

- стабілізація ДНК та РНК у присутності поліамінів (путресцину, спермі­дину, сперміну), низьких концентрацій Mg²⁺.

Загалом при високотемпературній адаптації суттєвим є зниження кон­формаційної гнучкості макромолекул (білків, ліпідів, нуклеїнових кислот), у той час як при низькотемпературній адаптації – навпаки, збільшення їх кон­формаційної гнучкості.

Опромінення. Усі біологічні об’єкти знаходяться під впливом різних видів опромінення. Ефекти, які викликаються опроміненням живих організ­мів, залежать від довжини хвилі світла та його дози, тобто від енергії та кіль­кості квантів, що поглинаються. Електромагнітні хвилі складаються з (рис. 110):

- радіохвиль, які мають найбільшу довжину хвилі (більше 1 500 нм);

- світлових хвиль, серед яких виділяють інфрачервоні (до 760 нм), видимі (від 760 нм до 380 нм), ультрафіолетові (від 380 нм до 200 нм);

- іонізуючого опромінення (до 200 нм), яке включає Х-хвилі (головним чи­ном штучного походження), γ-хвилі (утворюються при розпаді радіоак­тивних речовин), космічні хвилі.

Радіохвилі не здійснюють біологічного впливу на мікроорганізми.

Інфрачервоні хвилі, містять таку незначну кількість енергії, що вони не здатні викликати хімічних перетворень у матерії, що їх поглинає. Енергія інфрачервоних хвиль перетворюється у тепло.

Випромінення в ділянці видимого світла забезпечує можливість здій­снення упорядкованих реакцій при його поглинанні певними системами. В організмах це опромінення індукує такі процеси, як фотосинтез, фототаксис, фотореактивацію ДНК, синтез деяких макромолекул.

Ультрафіолетове опромінення має сильний бактерицидний ефект. Як дальній ультрафіолет (220-300 нм), так і ближній (300-380 нм) мають пош­коджуючу дію на біополімери клітини в результаті фотолізису, утворенняпі­римідиновихдимерів, гідроксилювання нуклеотидів, індукції заміни пар основ, однониткових та двониткових розривів ДНК, зшивки ДНК з білками.

Іонізуюче випромінювання є компонентом природної радіації, яку пе­реважно складає корпускулярне (α-, β-опромінення), а також рентгенівське та γ-випромінювання. Радіаційний вплив забезпечують космічні промені, неста­більні ізотопи ґрунту, опадів, розробка копалин радіоактивних мінералів, штучні джерела радіації (випробовування атомної зброї, атомні електро­станції, застосування радіоізотопів із медичною та науковою метою).

Дія іонізуючого опромінення на клітини мікроорганізмів виявляється у численних пошкодженнях, подібних до дії ультрафіолету, переважно одно­ниткових та двониткових розривах ДНК. Опосередкований вплив опромінен­ня пов’язаний з утворенням вільних радикалів, що сприяють перекисному окисненню ліпідів.

Мікроорганізми є найбільш стійкими до радіаційного впливу у порів-нянні з іншими організмами. Летальною дозою для ссавців є рівень наближе­ний до 10³ рад, для комах –10⁵ рад , для мікроорганізмів – 10⁶ рад. Серед мік­роорганізмів радіорезистентність коків вища за таку у паличкоподібних, про­те серед високорезистентних бактерій відомі як коки (Deinococcus radiodu­rans, D. radiophilus), так і палички (Deinobacter grandis). Стійкість до опро­мінення притаманна також різним грибам родів Alternaria, Aureobasidium, Stenphylium, Stachybotris, Clаdosporium.

Місцями існування радіорезистентних мікроорганізмів є радонові джерела, охолоджувальні системи атомних електростанцій, об’єкт укриття атомного реактора.

Механізми радіорезистентностіпов’язані із системами репарації, до яких відноситься ексцізійна репарація (видалення пошкоджених ділянок ДНК) та рекомбінаційна репарація (заповнення дефектів у нуклеотидній пос­лідовності пошкодженої ДНК). Особливістю мікроорганізмів є також кон­троль систем репарації багатьма генами.

Головним джерелом природного опромінення є сонячна радіація. Основна частина сонячної енергії припадає на долю видимих променів (біля 75%), майже 20% – на інфрачервону частину спектра і лише 5% – на уль­трафіолет.

Гравітація.Всі організми знаходяться під впливом земного тяжіння. Проте доказів прямого впливу гравітації на бактерії не існує. Розміри бак­теріальних клітин настільки малі, що у водних розчинах вони практично зна­ходяться в стані невагомості. Хоча завислі у водному розчині мікроорганізми все ж поступово осідають. Деякі аеробні бактерії у стані невагомості ростуть краще. Це пояснюється більш рівномірним розподілом поживних речовин.

Ще одним прикладом впливу гравітації на мікроорганізми може бути геотропізм, який проявляється у формуванні актиноміцетами і мікроскопіч­ними грибами різнонаправленого повітряного та субстратного міцелію.

Магнітне поле.Магнітне поле помірно впливає на більшість мікроор­ганізмів, неспеціалізованих форм. Доведена стимуляція росту для Pseudomo­nas aeruginosa, Staphylococcus epidermidis, Halobacterium salinarium магніт­ним полем із напруженістю 12·10³ ампер/метр (А/м) та їх пригнічення маг­нітним полем з напруженістю 24·10³ А/м і вище. Проте в природних середо­вищах існування магнітні поля такої напруженості не зустрічаються.

Значний вплив магнітного поля зареєстрований на спеціалізовані фор­ми мікроорганізмів – магнітобактерії. Вони здатні регулюватинапрямок свого руху у відповідності з напрямком силових ліній магнітного поля. Це явище було назване магнітотаксисом. У слабких магнітних полях (8-40 А/м) магнітобактерії рухаються зі швидкістю до 70 мкм/с уздовж ліній поля.

Магнітобактерії поширені в морських маршах, заболочених прісно­водних водоймах, у збірниках для очистки стічних вод, тобто у місцях з мало рухомою водою. Чисельність їх у таких умовах досягає 10⁶-10⁷ клітин/мл.

Найкраще з магнітобактерій вивчений Aquaspirillum magnetotacticum – мікроаерофільний хемогетеротроф. Його особливістю є наявність магніто­сом – кубічних або октаедричних кристалів окису заліза – магнетиту, за ра­хунок якого вміст заліза в клітинах таких спірил досягає 3,8 %, що набагато перевищує його вміст у клітинах неспеціалізованих форм (0,025 %). Магніто­соми можуть накопичуватися в осадах водойм у вільному стані, утворюючи біогенні магнетити з високим рівнем природного залишкового магнетизму.

Гідростатичний тиск впливає на мікроорганізми за умови значної амплітуди змін показників цього фактора середовища. Так, в експерименті рі­вень тиску в 100 атм, пригнічував, а в 200 атм стимулював ріст Escherichia coli, однак при 400 атм швидкість росту суттєво зменшувалась, утворювались ниткоподібні клітини.

У природних умовах високий гідростатичний тиск (300-600 атм) ство­рюється на глибині 3 000-6 000 м в океанах. Мікрофлора таких глибин пред­ставлена баротолерантними (грец. baros – тягар) мікроорганізмами.

1% поверхні Землі знаходиться в океані на глибині понад 10 000 мет­рів, де тиск може досягати 1 100 атм. Бактерії, вилучені з таких глибин, зок­рема, Маріанскої западини, глибина якої 11 022 м, не витримують нормаль­ного атмосферного тиску і гинуть протягом 5 год. Такі барофільні мікроорга­нізми вимагають спеціальних культиваторів для підтримання високого тиску.

Механізми баротолерантності і барофільності пов’язують із збере­женням текучості мембран, що забезпечується: своєрідним жирнокислотним складом ліпідів мембран; збільшенням вмісту довголанцюгових поліненаси­чених жирних кислот; низькою температурою плавлення полієнових кислот.

Ці механізми подібні до механізмів низькотемпературної адаптації, що сприяє прояву барофілами психрофільних властивостей.

В умовах тиску, який значно нижче атмосферного, життєздатність мікроорганізмів зазвичай не порушується, проте при зниженні тиску зменшу­ється вміст у середовищі газової атмосфери, що негативно впливає на ріст мікроорганізмів.

Вологість.Для забезпечення життєдіяльності всім організмам потріб­на вода. Обмін речовин відбувається у водних розчинах. Вода, яка знаходить­ся у зовнішньому по відношенню до мікроорганізму середовищі, може бути доступною або недоступною для нього. Доступність води для мікроорганіз­мів найчастіше виражають через водну активність, яка корелює з тиском водяної пари над розчином і обчислюється при вимірюванні відносної воло­гості повітря (W_w): , де Р – тиск водяної пари над розчином, Р₀ – тиск пари над водою. Наприклад, над 35% розчином сірчаної кислоти при температурі 25⁰С тиск пари в міліметрах ртутного стовпчика 15,8, а тиск па­ри над водою – 23,76. Тоді W_w складає 67%. Активність води – це та ж відносна вологість, але не виражена у відсотках, тобто при W_w =67%, А_w = 0,67.

Різні види мікроорганізмів вимагають певного рівня водної актив­ності. При мінімальній водній активності (0,8 – 0,6) можуть існувати мікро­скопічні гриби (Penicillium, Aspergillus, Cladosporium та ін.). Максимальної водної активності (1,0 – 0,9) потребують нейстонні бактерії родів Spirillum, Nevskia, Hyphomicrobium, Caulobacter, сульфат-редуктори Desulfotomaculum та ін.

Активність води може бути також виражена через концентрацію розчинених речовин:

де П₁ – кількість молей розчинника, П₂ – кількість молей розчиненої речо­вини.

З рівняння видно, що підвищення концентрації розчинених речовин знижує водну активність, а значить, і доступність води для клітини.

Концентрація речовин, що розчинені у зовнішньому, відносно мікро­організму, середовищі, зумовлює осмотичний тиск середовища, який знахо­диться у зворотній залежності від водної активності.

Надходження води в клітину можливе, якщо осмотичний тиск в клі­тині більше, ніж тиск зовнішнього розчину. Нормальний тиск в клітині, за­звичай, у межах 3-6 атм, що відповідає такому середовищу існування як, нап­риклад, ґрунт (0,5 – 5 атм). В солоних середовищах, або з високим вмістом цукрів (варення, мед) осмотичний тиск може досягати 100 атм. Мікроорга­нізми уникають осмотичного стресу завдяки наявності системи осморегуля­ції, складовими якої є:

- білки осмосенсорів, які реагують на зміну осмотичного тиску;

- зміна співвідношення білків поринів, що утворюють гідрофільні пори;

- синтез осмопротекторів (високорозчинних речовин, концентрація яких врівноважує зовнішній тиск –аміномасляна, глютамінова кислота, пролін);

- система вибіркового накопичення іонів у клітині – збільшення концентра­ції К⁺ при збільшенні зовнішнього тиску);

- система регуляції осмолярності периплазми – синтез олігосахаридів, що утримують катіони).

Не тільки осмотичний тиск зменшує доступність води для клітини. Інший шлях – дефіцит екзогенної води, який може призводити до матричного водного стресу, до якого мікроорганізми більш чутливі, ніж до осмотичного.

Пристосуванням мікроорганізмів в умовах дефіциту екзогенної води є спороутворення, утворення гігроскопічних слизових капсул, здатність до ви­користання метаболічної води в результаті окиснення органічних сполук (з 100 г глюкози утворюється 60 г води).

Реакція середовища (рН).Для життєдіяльності мікроорганізмів вели­ке значення має реакція середовища, яка визначається концентрацією іонів водню, що утворюються у водному розчині при електролітичній дисоціації води. Кількісно реакцію середовища виражають за допомогою рН-показника. Цей показник означає величину від’ємного логарифма концентрації іонів водню. Концентрація іонів водню чистої води дорівнює 10^-7, тобто рН=7. Рівні рН нижче 7 визначають кислотність середовища, вище 7 – її лужність.

Кожний мікроорганізм існує в певних межах рН і має свій специфіч­ний оптимум реакції середовища (рис. 111).

Ацидофіли (лат. acidus – кислий)існують у межах рН від 1,0 до 6,0 і представлені термофільними архебактеріями та еубактеріями, наприклад, Thermoplasma acidophilum (pH 1,8), Sulfolobus acidocaldarius (pH 2,0-3,0), Ba­cillus acidocaldarius (pH 3,0), Sulfobacillus thermosulfidooxidans (pH 2,0), і ме­зофільними хемолітоавтотрофами, наприклад, Thiobacillus acidophilus (pH 3,0 -3,5), T. ferrooxidans (pH 1,8-2,4), T. thiooxidans (pH 2,5), T. thioparus (pH 3,0).

Алкалофіли(араб. аль-калі – луг) розповсюджені в середовищах з рН 8,5-11,5 (в ґрунтах, місцях розкладання білків, біологічних рідинах із лужною реакцією), наприклад, Bacillus pasteurii потребує для свого розвитку pH 9,0, Sporosarcina ureae – pH 9,0, B. firmus – pH 9,0-10,5, B. alcalophilus – pH 10,5.

Вплив іонів водню на мікроорганізми може бути, як прямим так і опосередкованим. Опосередкований вплив пов’язаний з впливом іонів водню на певні компоненти середовища, дисоціація яких залежить від рН і відби­вається на надходженні поживних речовин в клітину. Реакція середовища здійснює вплив на утворення і активність мікробних ферментів.

Окисно-відновний потенціал (Eh). Природні середовища існування мікроорганізмів характеризуються також окисно-відновним потенціалом(Еh), який відображає співвідношення окиснених та відновлених сполук у біологічних системах і є індикатором біо­хімічних процесів.

де R – газова константа (8,3144 Дж·град^-1·моль^-1; при 25⁰ RT = 2,479 кДж· моль^-1); F – число Фарадея (1F = 96 485 Кл·моль^-1); Т – абсолютна температу­ра; С_red – концентрація відновлених сполук; C_ox – концентрація окиснених сполук.

Вимірюється Еh у мілівольтах і має найвище позитивне значення при високих концентраціях окисника (+815 мВ – реакція розкладу Н₂О на О₂ і Н₂) та найбільше негативне значення при високих концентраціях відновників (-414 мВ – реакція відновлення атомарного водню до молекулярного).

Високоаеровані середовища з рівнем Еh +810 мВ створюють умови для існування облігатних аеробів та деяких факультативно анаеробних мікро­організмів родів Pseudomonas, Bacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Strep­tomyces. Факультативні анаероби переважають у середовищах, окисно-від­новний потенціал яких наближається до нуля.

Для нітратредукуючих та денітрифікуючих бактерій видів Pseudomo­nas fluorescens, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans, Thiobacillus de­nitrificans характерний Еh +440 мВ і нижче. Ці мікроорганізми розповсюд­жені в ґрунті, де здійснюють важливі перетворення в циклі азоту. Нітратре­дукуючі бактерії Escherichia, Enterobacter, Proteus та ін. є представниками мікрофлори шлунково-кишкового тракту, нижні відділи якого переважно заселені анаеробними бактеріями родів Bacteroides, Propionibacterium та ін.

Облігатні анаероби існують в середовищах з високими негативними значеннями Eh. Серед них відомі метаногенні бактерії (Eh -220 мВ) з природ­них (лимани, болота, рисові поля, рубець жуйних тварин) та антропогенних еконіш (відстійники очисних споруд) – Methanobacterium thermoautotrophi­cum, Methanosarcina barkeri, Methanococcus mazei, Methanospirillum hungatii.

Сульфатредукуюча бактерія Desulfotomaculum ruminis також є пред­ставником мікрофлори рубця жуйних тварин, проте більшість сульфатредук­торів (Eh -265 мВ) складають біоценози мулу озер та морських осадів, де створюються анаеробні умови, наприклад, Desulfovibrio desulfuricans, Desul­fosarcina variabilis, Desulfococcus multivorans, Desulfonema limicola, Desulfo­bacter curvatus, Desulfotomaculum nigrificans. Ці мікроорганізми також мають значення як корозійнонебезпечні.

Поживні речовини. Поживними речовинами є будь-які сполуки, ви­користані мікроорганізмами як джерела макро- та мікроелементів, електронів та енергії. Надходження поживних речовин відбувається нерівномірно у часі та просторі, тому прийнято характеризувати місця існування мікроорганізмів термінами усередненого потоку поживних речовин за добу.

Бактерії, існування яких у природі залежить від їх здатності розмно­жуватись у місцях з низьким потоком поживних речовин – до 0,1мг/л за добу, відносять до оліготрофів (грец. оligos – малий, trophe – їжа). Типовими пред­ставниками оліготрофів є мешканці водойм та ґрунтів (Achromatium beggia­toa, Thiothrix beggiatoa, Thiothrix та ін.)

Копіотрофами (грец. copiosus – надмірність, trophe – їжа) називають мікроорганізми, що надають перевагу багатим субстратам. Копітрофи розви­ваються в умовах надходження поживних речовин, які, як найменше, в 50 ра­зів перевищують такі, що сприятливі для розвитку оліготрофів. До копітро­фів відносяться E. coli, бактерії роду Zymomonas та інші мікроорганізми виділені з середовищ з активними процесами гниття.

Оліготрофні мікроорганізми досить широко розповсюджені в природі і в багатьох випадках чисельно домінують над копітрофами. Широкому роз­повсюдженню оліготрофів сприяє ряд їх особливостей, які полягають у:

- накопиченні резервних речовин (полі-β-оксимасляної кислоти, поліглюко­зи, поліфосфатів);

- транспортні системи функціонують в умовах мінімальних концентрацій поживних речовин і характеризуються низькою субстратною специфіч­ністю, нездатністю дискримінувати речовини;

- здатності до мініатюризації клітин в умовах голодування;

- низькій швидкості розмноження – час генерації оліготрофів складає 20-200 год. на противагу копіотрофам, які утворюють нове покоління протя­гом 10-20 хв.

Досить часто мікроорганізми виділені як оліготрофи, під час лабора­торного культивування стають копітрофами.

Шляхи адаптації до джерел живлення можуть бути спеціалізованими або неспеціалізованими. Мікроорганізми, які здатні використовувати вузь­кий спектр субстратів або вимагають для росту конкретну, незамінну інши­ми, речовину, відомі як спеціалісти.До них відносяться, наприклад, тіонові бактерії. Такі мікроорганізми швидше ростуть в умовах надлишку доступ­ного для них субстрату. Генералістивикористовують різноманітні сполуки, тому легше знаходять джерела живлення. Серед оліготрофів переважають генералісти, хоча є і спеціалісти, як, наприклад, метилотроф Hyphomicrobium vulgare.

Токсичні речовини. Можливість нормального існування тих чи інших бактерій залежить не лише від доступності поживних речовин, а й від їх можливості протистояти згубній дії токсичних для них речовин. Найбільш рідкісне явище в природних еконішах – повна відсутність токсичних речо­вин.

За типом впливу токсичних речовин на клітину їх дія може бути бак­терицидною, або бактеріостатичною. Бактеріостаз (грец. bacterion – палич­ка, stasis – стояти на місці) – затримка росту і розмноження бактерій. При­пинення дії фактора призводить до відновлення росту. При бактерицидності (лат. сaedere – вбивати) – дія фактору призводить до загибелі клітини.

В багатьох випадках речовина в малих концентраціях буде мати бак­теріостатичний ефект, тоді як в високій – бактерицидний.

За характером впливу хімічні речовини розділяють на такі що призво­дять до:

- пошкоджень клітинної стінки (поверхнево-активні речовини, жирні кис­лоти, мила, детергенти);

- пошкоджень клітинної стінки та білків цитоплазми (фенол. крезол та їх похідні);

- порушень процесів клітинного ділення завдяки спорідненості до нуклеї­нових кислот (акридини);

- денатурації білків (формальдегіди);

- коагуляції білків (солі важких металів).

Присутність токсичних речовин зменшує можливості збалансованого обміну між клітинами мікроорганізмів та середовищем. Це активізує конт­ролюючі та захисні системи мікроорганізмів, до яких належать:

- система строгого контролю, що регулюється синтетазою фосфонуклео­тидів-алармонів (фр. alarme – тривога) і спрямована на обмеження погли­нання сполуки із середовища;

- система SOS-відповіді, яка активує каскадні реакції дерепресії білків з протеолітичною активністю, репараційних систем, зміни складу білків зовнішньої мембрани клітин бактерій;

- система адаптивної відповіді – індуцибельна антимутагенна система репа­рації, що активується концентраціями мутагенів у 10-100 разів менших, ніж необхідно для прояву їх мутагенної дії;

- синтез білків теплового шоку, який відбувається не тільки в умовах тем­пературного стресу, але й під впливом опромінення та токсичних речо­вин;

- синтез ферментів захисту від окисників – каталази, пероксидази, суперок­сиддисмутази, глутатіон-редуктази, алкіл-гідропероксидредуктази, глюко­зо-6-фосфатдегідрогенази.

- формування резистентності шляхом активної депортації токсичних спо­лук із клітини, синтезу гідролаз, редуктаз, трансфераз.

Мікроорганізми здатні концентрувати токсичні речовини в поверхне­вих структурах і навіть всередині клітини. Коефіцієнти концентрування різні для різних мікроорганізмів та сполук. Іноді накопичення таких речовин є ле­тальним для клітини, в інших випадках – ні. Цю властивість мікроорганізмів використовують з практичною метою в технологіях біосорбції, трансформа­ції сполук важких металів, детоксикації природних середовищ.

Важливою адаптаційною ознакою є здатність певних мікроорганізмів використовувати речовини, які відомі своєю токсичною дією, як джерела енергії. Так, серед нітрифікуючих бактерій відомі Nitrobacter, Nitrospina, Nit­rococcus, Nitrospira, єдиним джерелом енергії яким слугує нітрит у реакції його окиснення до нітрату. Така властивість цих мікроорганізмів забезпечу­ється нітритоксиредуктазною активністю. Бактерії роду Nitrosomonas, Nitro­sococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus окиснюють аміак до нітриту завдяки активності ферментів монооксигенази та гідроксиламін-оксидоредуктази. Сіркоокиснюючі бактерії родів Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiosphaera, Thermothrix використовують як джерело енергії відновлені сполуки сірки – потенційно токсичні субстрати – сірководень, тіоціонат, сульфіти.

Деякі мікроорганізми, наприклад, коринебактерії, псевдомонади здат­ні утилізувати продукти нафтопереробки, нафталін, фенол тощо.

Кисень.Сучасний стан атмосфери Землі, яка містить ~21% кисню, зу­мовив формування певних груп організмів за їх відношенням до цього газу. Деякі з існуючих форм мікроорганізмів обрали місця існування, де О₂ прак­тично відсутній і тим самим забезпечили собі умови „безкисневої епохи” – це облігатні анаероби (наприклад, представники родів Desulfotomaculum, Syn­trophospora). Інші – облігатно аеробні мікроорганізми пристосувались до кисневих умов і активно використовують кисень у своїх метаболічних проце­сах (наприклад, представники роду Acetobacter). Факультативні анаероби мають альтернативні шляхи енергетичного обміну і можуть розвиватися як при наявності, так і у відсутності кисню (наприклад, представники родів Escherichia, Proteus). Деякі аеробні мікроорганізми потребують для свого розвитку молекулярний кисень, але у значно меншій концентрації, ніж він міститься в атмосфері – їх називають мікроаерофілами (наприклад, пред­ставники родів Campylobacter, Helicobacter). Виділяють також аеротоле­рантні мікроорганізми, які мають бродильний тип метаболізму, але при кон­такті з киснем не гинуть.

Дія молекулярного кисню на клітину досить агресивна і пов’язана з його здатністю окиснювати клітинні метаболіти, що не є бажаним для клі­тини. Крім того, при окиснені флавопротеїдів утворюється пероксид водню – токсична для бактерій речовина. В реакціях окиснення утворюється, хоча і невелика кількість, але ще більш токсичного вільного перекісного радикалу – .

Сучасні аеробні та аеротолерантні прокаріоти для боротьби з токсич­ними формами кисню виробили захисні механізми, основою яких є здатність спеціальних ферментів каталізувати реакції їх руйнування. Наприклад, супер­оксиддисмутаза запобігає накопиченню потенційно летального для прокаріот перекисного радикалу, каталізуючи його перетворення на кисень та перекис водню. Каталаза, в свою чергу, каталізує розпад перекису водню на кисень та воду:

Ці ферменти містяться лише в клітинах аеробів. В аеротолерантних та факультативних анаеробів, як правило, каталаза відсутня. В клітинах анае­робних мікроорганізмів не виявлено жодного з цих ферментів, тому вони без­захисні проти токсичної дії кисню. Єдино досяжні для них шляхи нейтралі­зації кисню – витіснення його з середовища існування завдяки інтенсивному виділенню СО₂ та Н₂.

В природних умовах не можливо відокремити вплив на мікроорга­нізми якогось одного фактора. Сукупність впливу факторів може різко впли­вати на дію досліджуваного. Так, наприклад, рН середовища змінює леталь­ний вплив температури. Мікроорганізми швидше гинуть при нагріванні у кислому середовищі, ніж нейтральному або лужному. Летальний вплив рент­генівських променів значно підвищується в присутності молекулярного кис­ню. Тобто терміни „оптимальна температура” або „оптимальний рН” мають реальне значення коли відомі всі інші фактори довкілля.

Мікроорганізми ґрунту

Вчення про ґрунт було створене В. В. Докучаєвим, П. А. Костичевим, С. М. Виноградським, В. Р. Вільямсом та ін. С. М. Виноградський по праву вважається засновником ґрунтової мікробіології. Він довів, що родючість ґрунту визначається наявністю не лише неорганічних і органічних речовин, а й діяльністю різних видів мікроорганізмів, котрі зумовлюють якісний склад ґрунту.

Ґрунт є сприятливим середовищем для багатьох прокаріотичних і еукаріотичних організмів. Його мінеральний та хімічний склад, фізико-хіміч­ний стан регулюють чисельність і видовий склад мікробних біоценозів, до яких входять бактерії, гриби, найпростіші та бактеріофаги.

Серед природних середовищ ґрунт є найбільш придатним середови­щем для розвитку мікроорганізмів. Він містить необхідні поживні речовини, має достатню кількість вологи, має значення pH та Eh, які забезпечують роз­виток різних фізіологічних груп мікроорганізмів, ґрунтове повітря містить необхідну кількість газів, що забезпечує розвиток аеробних, факультативно­анаеробних та анаеробних мікроорганізмів, ґрунт має певну температуру, що забезпечує розвиток психрофільних, мезофільних та термофільних мікроор­ганізмів; у різних ґрунтах визначаються різні концентрації солей.

У ґрунті виділяють три фази: тверду, рідку (або ґрунтовий розчин) і газоподібну (ґрунтове повітря). Тверда фаза займає до 50% ґрунту і скла­дається з трьох типів механічних елементів – мінеральних, органічних та органо-мінеральних. Механічні елементи об’єднуються в ґрунтові агрегати діаметром 0,5-5,0 мм, кожен з яких, ніби губка, пронизаний численними по­рами різного діаметра. Проміжки між ґрунтовими агрегатами і великі пори добре дренованого ґрунту заповнені повітрям, вода крізь них проходить під дією сил тяжіння, а в дрібних порах затримується капілярними силами. На­віть у дуже сухому ґрунті залишається деяка кількість капілярної води і води, яка знаходиться в адсорбованому стані на поверхні ґрунтових агрегатів. На твердих частинках ґрунту (ґрунтових агрегатах) зосереджені основні поживні речовини.

Рідка фаза, або ґрунтовий розчин, заповнює капіляри ґрунтових агре­гатів і утворює навколо них плівки різної товщини. Ґрунтовий розчин містить мінеральні, органо-мінеральні та органічні сполуки. Вміст цих речовин неод­наковий у ґрунтах різних типів, він залежить також від горизонту ґрунту та пори року. Верхні шари ґрунту містять більше органічних речовин, ніж ниж­ні. Вміст води в ґрунті визначає його аерацію.

Газоподібна фаза ґрунту (ґрунтове повітря) відрізняється від атмос­ферного значним вмістом CO₂ (у ґрунтовому повітрі його вміст складає 0,3-3,0%; в атмосферному – 0,03%), меншою кількістю О₂ (у ґрунтовому повітрі вміст кисню становить 7,0-9,0%; в атмосферному – 21,0%). Вміст N₂ (~78,0%) однаковий і в ґрунтовому, і в атмосферному повітрі. Повітря ґрунту збагачене метаном, воднем, оксидами азоту та вуглецю, леткими сполуками. З ґрунту постійно виділяється СО₂, а його місце займає атмосферне повітря, тобто відбувається постійний газообмін. Такий процес називається “дихан­ням” ґрунту.

Ґрунт – це не тільки середовище для перебування мікроорганізмів, а і продукт їх життєдіяльності.

Роботи М. Г. Холодного, Д. М. Новогрудського, Б. В. Перфільєва і Д. Р. Габе, Д. Г. Звягінцева дозволили встановити основні принципи розподі­лу мікроорганізмів у ґрунті в природному стані. Було показано, що одні мік­роорганізми розташовуються на поверхні ґрунтових агрегатів, інші займають внутрішньо агрегатний простір. Як в одному, так і в другому випадку вони можуть знаходитися в ґрунтовому розчині, який заповнює проміжки між агрегатами; у плівковій воді у вільному стані або адгезованими на поверхні твердих частинок; у капілярах у вільному або прикріпленому стані між агре­гатами або всередині них. При цьому бактерії заселяють ґрунтові агрегати будь-яких розмірів, а міцеліальні форми (актиноміцети й гриби) тяжіють до більш великих агрегатів, пронизуючи їх. Однак, при цьому вони не утворю­ють суцільної мікробної плівки, а розміщені у вигляді невеличких колоній (угруповань) в окремих зонах, тобто для мікроорганізмів характерна зональ­ність у їх розташуванні.

Для підрахунку кількості мікробних клітин у ґрунті використовують різні методи: посіву розведень ґрунту на щільні поживні середовища; пря­мого підрахунку мікробних клітин (метод Виноградського та люмінесцент­ний метод); електронної мікроскопії.

При визначені кількості мікробних клітин методом посіву на поживні середовища роблять відповідні розведення ґрунту (10^-2, 10^-3, 10^-4, 10^-5…), ре­тельно їх перемішують, відстоюють і висівають певний об’єм на поверхню (або в товщу) середовища. Посіви інкубують, підраховують кількість коло­ній, що виросли на середовищі, і розраховують на кількість мікробних клітин в 1 г абсолютно сухого ґрунту. При цьому вважається, що кожна колонія виросла з однієї мікробної клітини.

Більш достовірні результати підрахунку кількості мікробних клітин у ґрунті дають прямі методи мікроскопії ґрунтових розведень. Принцип методу був запропонований С. М. Виноградським. Він полягає в тому, що 0,01 мл певного розведення ґрунту наносять на предметне скло і ретельно розподі­ляють на площі 4 см² (або 8 см²). Після висушування і фіксації мазок фар­бують, а потім розглядають під мікроскопом, підраховуючи кількість палич­коподібних бактерій, дрібних і великих коків, обривки міцелію грибів і акти­номіцетів та інших мікроорганізмів. Визначають кількість мікробних клітин в 1 г ґрунту за формулою:

,

де С – показник розведення ґрунту; А – вологість ґрунту; а – середня кіль­кість клітин у полі зору; b – кількість полів зору на визначеній площі; V – об’єм суспензії, нанесеної на площу мазка (0,01 мл).

Визначення кількості бактеріальних клітин методом мікроскопіюван­ня полегшується при використанні люмінесцентного мікроскопа. При цьому мікроорганізми краще видно серед дрібних частинок ґрунту. Для обробки препаратів використовують акридиновий оранжевий, ізотіоціонат та інші флюорохроми. При обробці препаратів акридиновим оранжевим мертві клі­тини дають червону люмінесценцію, а живі – зелену.

Кількість мікробних клітин в 1 г ґрунту обчислюють за формулою:

, де a – середня кількість клітин у полі зору; n – показник розведення ґрунту; S – площа препарату.

Для дослідження мікробних пейзажів ґрунту використовують метод обростання пластинок за М. Г. Холодним. Для цього предметні скельця зану­рюють в ґрунт, а через певні проміжки часу розглядають під мікроскопом як фіксовані забарвлені препарати. Російські вчені Б. В. Перфільєв і Д. Р. Габе запропонували метод капілярної мікроскопії. З цією метою вони сконстру­ювали спеціальний прилад – капілярний педоскоп (рис. 112). Педоскопи ма­ють канали прямокутної форми, що дозволяє захистити мікробні пейзажі від механічних ушкоджень.

Д. І. Нікітін використовував для підрахунку мікроорганізмів у ґрунті електронний мікроскоп. Останнім часом для прямого аналізу мікрофлори ґрунту використовують скануючий електронний мікроскоп, який дає об’ємне зображення об’єктів (рис. 113).

Ступінь обсіменіння ґрунту мікроорганізмами залежить від його ха­рактеру та хімічного складу (табл. 19).

Таблиця 19

Загальна кількість мікроорганізмів у різних ґрунтах,