Тема 3. Физиология микроорганизмов

Физиология исследует жизненные функции организма - пи­тание, дыхание, рост, развитие, а также взаимодействие орга­низма с внешней средой.

Основу жизнедеятельности не только микробной, но любой живой клетки, составляет обмен веществ или метаболизм.

Обмен веществ состоит из двух взаимозависимых и в то же время взаимопротивоположных, протекающих одновременно процессов – конструктивного и энергетического обмена (анаболизма и катаболизма).

Совокупность химических реакций, приводящих к построению вещества клетки, получила название конструктивного обмена или анаболизма.

Совокупность химических реакций, протекающих в клетке с выделением свободной энергии, называется энергетическим обменом или катаболизмом.

Все химические реакции, связанные с обменом веществ, управляются ферментами, протекают в определенной последовательности и гармонично сочетаются.

Особенностью микроорганизмов является большое разнообразие обменных процессов, различные потребности в питательных веществах, различные способы получения энергии, необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при оптимальных условиях клетка потребляет пищу, масса которой в 30-40 раз больше массы самой клетки.

Изменяющее воздействие микроорганизмов на окружающую среду связано с обменом веществ, в процессе которого из внеш­ней среды поступают необходимые организму вещества, а из микроорганизма во внешнюю среду выделяются продукты его жизнедеятельности. В результате обмена веществ обеспечи­вается рост и развитие микроорганизмов. Основными процес­сами обмена веществ организма являются питание и дыхание.

Во время питания организм получает и усваивает из пищи необходимые ему вещества, используемые им для построения и обновления собственных веществ, из кото­рых состоит организм, а также для обеспечения энергией про­исходящих в нем жизненных процессов.

При дыхании сложные органические вещества окисляются до более простых (иногда до минеральных веществ), в резуль­тате чего освобождается нужная организму энергия.

Питание и дыхание происходят одновременно, они взаимо­связаны и осуществляются в организме как единый процесс. Образующиеся в результате питания и дыхания ненужные ор­ганизму продукты обмена веществ выделяются им в окружаю­щую среду.

Конструктивный обмен у микроорганизмов.

Клетка микроорганизма состоит из многих химических элементов, важнейшими из которых являются:

- биогены (т.е. вещества, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов, необходимые для их жизни): углерод, кислород, водород, азот, фосфор и сера;

- минеральные вещества: макроэлементы - калий, кальций, магний натрий, хлор, железо и т.д.; микроэлементы - медь, цинк, никель, бром, марганец, йод и другие;

- ростовые вещества: аминокислоты, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания (фрагменты нуклеиновых кислот).

Все указанные элементы образуют органические и неорга­нические вещества, входящие в состав микробной клетки.

Как и другие организмы, микробы состоят из воды и сухого остатка - белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов и т.д.

Водасоставляет от 75 до 85% массы тела микроорганизмов. Она служит средой, в которой протекают все химические превра­щения, происходящие в клетке. Недостаток воды приводит к на­рушению обмена веществ в клетке, а затем к ее гибели.

Сухие вещества – 25-15%, из них органические вещества – 85-95% (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и т.д.); минеральные вещества (макро- и микроэлементы) – 5-15%.

Белки или протеины (протос греч. – первый, важнейший) – высокомолекулярные природные соединения, построенные из аминокислот. Различаются по аминокислотному составу и входят в состав ферментов, рибосом, являются основным строительным материалом клетки. Нуклеиновые кислоты (РНК-рибонуклеиновая и ДНК-дезокстрибонуклеиновая) составляют основу ядерного аппарата (нуклеоид, ядро), входят в состав рибосом.

Содержание белков в клетке бактерий 40-80% от сухого вещества клетки, в дрожжевой клетке 40-60%, мицелиальных грибов 15-40%.

Питание микроорганизмов

Основой конструктивного обмена является питание клетки, которое требуется для конструктивных и энергетических процессов, протекающих в клетке. Микроорганизмы не имеют специальных органов питания, пища в клетку поступает из внешней среды через всю её поверхность. Большая удельная поверхность у клеток микроорганизмов является одной из причин быстрого усвоения ими питательных веществ и очень быстрого в связи с этим их роста и развития.

Известны два способа питания: голозойный (встречается у животных, частицы пищи подвергаются перевариванию) и голофитный(встречается у растений и микроорганизмов).

В этом случае питательные вещества в виде истинных растворов поступают через всю поверхность клетки, при этом важнейшую роль играет ЦПМ (цитоплазматическая мембрана). ЦПМ обладает полупроницаемыми свойствами – пропускает молекулы истинных растворов (сахара, соли) и задерживает белки, полисахариды, липиды. Клетки микроорганизмов осуществляют внеклеточное «переваривание» за счет определенных ферментов, выделяемых клеткой в окружающую среду. Поступление питательных веществ через ЦПМ осуществляется тремя путями:

1. Пассивная или простая диффузия, этим путем поступает в основном вода. Перенос большинства питательных веществ, растворенных в воде, осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков (пермеаз), которые циркулируют между внешними и внутренними поверхностями ЦПМ. Молекулы пермеаз переходят на наружную сторону ЦПМ, захватывают молекулу вещества и переносят на внутреннюю сторону, затем они возвращаются. Действие пермеаз строго специфично, они захватывают только те вещества, которые усваиваются клеткой.

2. Облегченная диффузия - основана на разности концентраций в окружающей среде и в клетке, перенос с помощью пермеаз идет по градиенту концентрации (от большего к меньшему) без затраты энергии. При этом в клетку проникают более разнообразные вещества по сравнению с простой диффузией.

Обмен веществ у микроорганизмов происходит путем осмоса через всю поверхность клетки.

Осмос означает медленное проникновение (просачивание) жидкости и растворенных в ней веществ через полупроницае­мую перепонку. У микроорганизмов явление осмоса возникает вследствие разницы концентраций веществ внутри микробной клетки и вне ее.

Роль полупроницаемой перепонки при этом выполняет обо­лочка микроба. Сквозь нее внутрь клетки поступают в виде растворов нужные вещества и удаляются также в виде раство­ров продукты жизнедеятельности.

Растворенные в клетке вещества создают внутри нее опре­деленное давление, которое называется осмотическим. Чем больше концентрация растворенных веществ, тем выше осмоти­ческое давление. При повышении концентрации веществ внутри клетки, в силу осмотических законов, через оболочку усили­вается извне приток воды, которая стремится как бы разбавить концентрированный раствор в клетке до концентрации раствора вне ее и тем самым уравнять осмотическое давление по обе стороны оболочки.

Биохимические процессы, протекающие внутри клетки, по­степенно приводят к накоплению в клетке веществ - продуктов жизнедеятельности. На основе тех же осмотических законов эти вещества по мере накопления начинают двигаться в сторону их меньшей концентрации, т. е. за пределы клетки.

В свою очередь, клетка станет получать нужные ей веще­ства, концентрация которых в клетке ниже, чем в питательном субстрате.

Таким образом, растворитель (вода) движется в сторону более высокой концентрации раствора, а растворенные веще­ства - в сторону их меньшей концентрации.

В живой микробной клетке концентрация веществ всегда не­сколько выше, чем в окружающей среде. Поэтому происходит слабый избыточный приток воды из внешней среды внутрь клетки, вследствие чего ее эластичная оболочка напрягается. Такое состояние клетки называется туpгopом, а давление, растягивающее оболочку, тургорным.

Нормальное состояние микробной клетки всегда характеризуется определенным тургорным давлением.

Если микробная клетка попадает в концентрированный рас­твор, осмотическое давление которого выше, чем в самой клетке, то протоплазма ее начинает терять воду, отдавая ее внешней среде. В результате протоплазма сжимается и отстает от оболочки. Такое явление называется плазмолизом клетки.

На явлении плазмолиза основано консервирование продук­тов поваренной солью и сахаром. Концентрированные растворы этих веществ обезвоживают протоплазму микробных клеток и вызывают их гибель.

Наоборот, при чрезмерном притоке воды в микробную клетку протоплазма переполняется водой, разбухает и растягивает клеточную оболочку вплоть до ее разрыва. Это явление, обрат­ное плазмолизу, называется плазмоптисом.

3. Активный перенос, идет против градиента концентрации (от меньшей к большей) и требует значительных затрат энергии. Потребность в питании связана с наличием тех или иных пермеаз, например, Escherichia coli имеет 8000 пермеаз только переносящих лактозу.

Механизм переноса в клетках разных микроорганизмов однотипен. Большинство питательных веществ поступает в клетку путем активного переноса. Фосфор и серу клетка получает из органических соединений, калий, натрий и другие элементы – в виде солей, кислород и водород клетка получает из воздуха и воды.

Основной признак деления по типам питания – источник углерода. Животные усваивают углерод в органической форме – гетеротрофы; растения, усваивающие углерод в неорганической форме (СО₂), являются автотрофами. Микробный же мир представлен как автотрофами, так и гетеротрофами, т.е. у них существуют оба типа питания.

Многие микробы в качестве источников питания могут ис­пользовать только готовые органические соединения. Эти микро­организмы называются гетеротрофными.

Бактерии, грибы и дрожжи в большинстве гетеротрофы. Лучшим субстратом для них являются углеводы, но могут усваиваться и белки, полисахариды, липиды, спирты. Разные виды микроорганизмов способны усваивать почти все источники углерода, даже такие труднодоступные, как продукты переработки нефти, мазут, гудрон и прочее (на этом основаны методы очистки от нефтяных и т. д. пятен в мировом океане). Наиболее усвояемы вещества с группами СН₂ОН, СНОН, СОН, но почти не усваиваются соединения с группой СООН, т.е. органические кислоты.

Гетеротрофы подразделяются на сапрофитов и паразитов. Сапрофиты питаются за счет «мертвых» субстратов, в том числе пищевых продуктов – органических материалов. Они осуществляют круговорот органических веществ в природе.

К ним относятся микроорганизмы, разлагающие различные органические веще­ства в почве и воде, и микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов. Сапрофитами являются многие бактерии, плесневые грибки и дрожжи.

Часть гетеротрофных микроорганизмов способна разви­ваться только в живом организме, питаясь его органическими веществами. Такие гетеротрофы называются паразитами. К их числу относятся микроорганизмы - возбудители различ­ных заболеваний человека, животных и растений. Паразиты особенно требовательны к источникам азота, они могут суще­ствовать лишь за счет белков того организма, в котором пара­зитируют. В большинстве случаев паразиты являются условными, так как могут развиваться как в живой клетке, так и на искусственных средах, могут менять свойства в зависимости от условий (например, кишечная палочка). Безусловные паразиты только вирусы.

Источниками питания микроорганизмов могут служить са­мые разнообразные вещества. Автотрофы питаются неорга­ническими соединениями, получая нужные углерод и азот из неорганических веществ, и затем строят из них органиче­ские соединения. Среди автотрофных микробов встречаются такие, которые усваивают углекислый газ, подобно зеленым растениям, с ис­пользованием солнечной энергии (фотосинтез). К ним относятся, например, некоторые пигментные бактерии, зеленые и пурпур­ные серобактерии. В их клетках находятся пигменты, выпол­няющие роль хлорофилла зеленых растений.

Некоторые автотрофные микроорганизмы для синтеза нуж­ных органических соединений вместо солнечной энергии исполь­зуют энергию химических реакций окисления минеральных ве­ществ (хемосинтез). К числу таких микробов принадлежат водородные бактерии, окисляющие водород с образованием воды, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак в азот­ную кислоту, и др. Микроорганизмы-автотрофы играют большую положительную роль в природе, так как они обогащают почву, водоемы необходимыми органическими веществами.

Однако деление микроорганизмов на автотрофы и гетеротрофы можно считать условным, так как между ними существуют переходные формы.

Некоторые автотрофы способны усваивать простые органические вещества, некоторым гетеротрофам свойственна способность фиксировать СО₂, что является весьма перспективным и выгодным с точки зрения практики.

Азотофиксаторы восстанавливают азот атмосферы в аммиак, который используется в биосинтетических процессах.

Типы питания микроорганизмов по источнику питания представлены в таблице 3.1.

Свободноживущие (аэробные - azotobacter, анаэробные – clostridium pasteunanum). Те и другие в качестве источника азота могут усваивать соли аммония, нитраты, нитриты и аминокислоты, но при отсутствии (или недостатке) связанных форм азота переходят на процесс азотофиксации.

К активным азотофиксаторам относятся цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Кроме свободноживущих азотофиксаторов существуют симбиотические, которые усваивают азот в симбиозе с бобовыми растениями (клубеньковые бактерии). Все азотофиксаторы играют исключительно важную роль в природе, т.к. обеспечивают почву и водоемы соединениями азота.

Аминоавтотрофы – получают азот из неорганических соединений (аммиак, соли аммония, нитриты, нитраты).

Аминогетеротрофы – получают азот из органических соединений (белки, пептоны, пептиды, аминокислоты).

Все микроорганизмы нуждаются в источниках минераль­ных веществ, а также витаминов.

Таблица 3.1 - Типы питания микроорганизмов по источнику питания

Тип питания	Источник углерода	Источник энергии	Доноры электронов	Представители
Фотоавтотрофы	СО2	Свет	Н2S, Н2, Н2О	Цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии
Фотогетеротрофы	Простые органические соединения, вода, водород, тиосульфат, органические кислоты, спирты и т.д.	Свет	Органические соединения	Несерные пурпурные бактерии
Хемоавтотрофы	СО2	Реакции окисления неорганических веществ	Минеральные вещества (NH3, H2S, H2)	Нитрофильтрующие, серные и водородные бактерии (окисляют H2 до воды)
Хемоорганотрофы	Органические соединения (углеводы, белки, липиды)	Реакции окисления органических веществ	Органические вещества	Большинство

Потребность микроорганизмов в минеральных веществах незначительна; достаточно сказать, что 10 млрд. бактериальных клеток содержат всего 1 мг минеральных веществ. Однако без них рост микроорганизмов невозможен.

Многие микроорганизмы получают минеральные элементы (фосфор, серу, калий, магний, железо) из минеральных солей, другие лучше усваивают эти элементы из органических ве­ществ.

Источником микроэлементов (меди, цинка, никеля, марганца и других) для микробов является обычно тот же субстрат, из которого они получают все другие элементы питания.

Вода и прочие питательные вещества служат источником кислорода и водорода.

Для нормального роста микроорганизмы нуждаются в ви­таминах группы В (B₁, В₂, В₃ и т.д.), С, РР и др. При отсут­ствии какого-либо витамина в питательной среде у микроорга­низмов резко нарушается обмен веществ и рост микробных клеток становится невозможным. Некоторые же микробы могут нормально развиваться на питательной среде, не содержащей витаминов. Они способны сами вырабатывать витамины и на­капливать их в своем теле, иногда в очень значительных коли­чествах. Отдельные из таких микробов используются для про­мышленного получения витаминов (В₂, В₁₂).

Изучение и практическое использование микроорганизмов связано с необходимостью их выращивания в искусственных условиях. Для этого в лабораториях или предприятиях приго­тавливают так называемые питательные среды.

С помощью таких специально приготовленных питательных сред удается получать чистые культуры микроорганизмов, т. е. микроорганизмы только определенного вида, без примесей дру­гих микроорганизмов.

Чистую культуру получают путем высаживания на пита­тельную среду одной или нескольких клеток данного микроба.

Универсальной питательной среды нет, так как создать уни­версальный питательный субстрат, пригодный для всех микро­организмов, невозможно в силу специфичности требований раз­личных микроорганизмов.

Многие микроорганизмы хорошо развиваются на мясных бульонах, молоке, овощных и фруктовых отварах, вареном кар­тофеле, хлебе и т. д.

Для выращивания микроорганизмов пользуются и искус­ственно составленными питательными средами. Искусственные среды могут быть жидкие и твердые.

К числу жидких питатель­ных сред относится, например, мясопептонный бульон, в состав которого входят мясной бульон, пептон и соль. Твердые пита­тельные среды получают добавлением в жидкую среду агар-агара или желатина, которые в водных растворах образуют студни.