Особенности питания микроорганизмов

Обмен веществ у микроорганизмов состоит из двух основ­ных процессов: 1) получения из окружающей среды необходи­мых питательных веществ и синтеза из них составных частей клетки и 2) выделения в окружающую среду продуктов жизне­деятельности.

Первый из этих процессов, собственно, и является питанием.

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. Врезультате протоплазма сжимается и отстает от оболочки. Такое явление называется плазмолизом клетки.

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.

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

Источниками питания микроорганизмов могут служить са­мые разнообразные вещества. Одни микробы питаются неорга­ническими соединениями, получая нужные углерод и азот из неорганических веществ, и затем строят из них органиче­ские соединения. Такие микроорганизмы называются автотрофными.

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.

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

Среди гетеротрофных микроорганизмов есть такие, которые живут за счет органических остатков животного и раститель­ного мира. Их называют сапрофитами. 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.

Большинство сапрофитов использует в качестве источников азота различные белковые вещества, а в отдельных случаях - неорганические азотистые соединения (соли аммония и азотной кислоты).

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.

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

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.