Использование энергии микроорганизмами
Освобождаемая в процессах дыхания и брожения свободная энергия не может быть непосредственно использована клеткой. Энергия должна быть преобразована в биологически полезную форму – в химическую энергию макроэргических фосфатных связей фосфорорганических соединений, главным из которых является АТФ. Только часть энергии окисления органических веществ переводится в доступную для клетки форму (резервируется в АТФ). Значительное количество, преимущественно в виде тепловой энергии, теряется – рассеивается во внешней среде.
АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между реакциями как с выделением энергии, так и с ее затратой. АТФ называют «энергетической валютой» клетки. Из этого своеобразного аккумулятора организм черпает энергию для удовлетворения своих потребностей.
В энергетическом отношении дыхание – значительно более выгодный процесс, чем брожение.
У анаэробов в процессе брожения энергодающим этапом является гликолитический распад глюкозы до образования пировиноградной кислоты. Полезный эффект, как указывалось ранее (см. с. 68), состоит в образовании двух молекул АТФ из АДФ. Макроэргическая фосфатная связь АТФ содержит энергии около 4,2-104 Дж.
Следовательно, при использовании одного моля глюкозы (потенциальный запас энергии 2,87· 106 Дж) в клетках анаэробов запасается всего лишь около 0,09- 106 Дж. Большая часть энер-' гии остается в выделяемых в среду органических веществах – конечных продуктах брожения, много теряется и в форме тепловой энергии.
У аэробов в процессе дыхания при полном окислении одного моля глюкозы синтезируется значительно больше молей АТФ.
Установлено, что при продвижении по дыхательной цепи пары атомов водорода (пары электронов) к атому кислорода – при образовании молекулы воды – синтезируются три моля АТФ.
Из приведенной схемы цикла Кребса (см. рис. 21) видно, что окисление одного моля пировиноградной кислоты сопровождается отнятием пяти пар атомов водорода. В процессе окисления участвуют два моля пировиноградной кислоты. Кроме того, до образования пировиноградной кислоты, при окислении глицеринового альдегида, образуется 2НАД · Н2, следовательно, в дыхательную цепь поступают 12 пар атомов водорода, образуются 12 молекул воды и синтезируются 36 молей АТФ. Два моля АТФ образуются еще при гликолитическом распаде глюкозы до ππρο-ν виноградной кислоты. Всего, таким образом, синтезируются 38 молей АТФ, т. е. резервируются около 1,6· 106 Дж.
Следовательно, аэробами полезно используется около 50 % энергии и около 50 % теряется в виде тепла. Этим объясняется явление самосогревания навоза, силосных кормов, зерна, клубней картофеля, когда вследствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы.
При самосогревании зерновая масса приобретает несвойственные здоровому зерну запах и цвет. Происходит потеря массы, значительно снижаются всхожесть, технологические качества зерна и может быть полностью потеряна потребительная стоимость продукта.
Самосогревание торфа, недостаточно просушенного сена, хлопка и других материалов, возникающее при массовом разви-• тии сначала мезофильных, а затем термофильных микроорганизмов, иногда приводит к самовозгоранию. Это явление обусловливается тем, что при повышении температуры материала до 60–70 °С начинают развиваться автокаталитические химические окислительные процессы, которые вызывают еще большее нагревание материала, вплоть до воспламенения.
У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение неиспользованной энергии в форме световой. Такой способностью обладают некоторые бактерии, грибы, протисты. Свечение морской воды, сгнившего дерева, рыбы обусловлено присутствием в них светящихся микроорганизмов.
Глава 3
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
НА МИКРООРГАНИЗМЫ
Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, как и других живых существ, находятся в тесной зависимости от среды их обитания.
Происходящие в окружающей среде изменения так или иначе отражаются на микроорганизмах. Они могут способствовать развитию микробов, подавлять их развитие и даже привести к гибели. Может произойти изменение свойств микроорганизмов и направленность вызываемых ими биохимических процессов. Развитие микроорганизмов в свою очередь изменяет среду: в нее выделяются продукты их жизнедеятельности, из нее микроорганизмы берут необходимые для жизни вещества.
Зависимость развития микроорганизмов от условий среды можно определять путем измерения прироста живой массы – биомассы – в культуре за определенный промежуток времени.
Прирост биомассы плесневых грибов чаще определяют взвешиванием. отмытой от субстрата и отжатой сырой грибницы или грибницы, высушенной до постоянной массы. Интенсивность развития гриба оценивают и по увеличению размера его колонии, растущей на плотной питательной среде.
Прирост биомассы бактерий и дрожжей определяется обычно путем подсчета клеток (в см3 или в г субстрата), образующихся в результате размножения микроорганизмов за определенное время.
Если не добавлять питательные вещества и не удалять конечные продукты обмена, то при попадании (или посеве) бактерий на питательный субстрат развитие их во времени подчиняется известной закономерности. Отмечается несколько сменяющих друг друга в определенной последовательности стадий (фаз) развития (рис. 22), в течение которых изменяются скорость размножения, морфологические, физиологические и биохимические свойства бактерий.
В начальной стадии (рис. 22, участок кривой а) – фазе задержки роста (лагфаза1) – бактерии, попав в новую среду, некоторое время не размножаются, как бы приспосабливаясь к ней. Клетки увеличиваются -в размере, в них возрастает содержание белка и РНК.
1От англ. lag – отставание, запаздывание.
По мере приспособления бактерии начинают размножаться со всевозрастающей скоростью. Затем в течение определенного периода размножение идет с максимальной и характерной для каждого вида и данной среды постоянной скоростью. Этот период (рис. 22, участок кривой б) называется л о -гарифм и ческой или экспоненциальной фазой роста. Большинство клеток молодые, активные; в среде накапливается большое количество продуктов их жизнедеятельности. Показателем скорости размножения бактерий в этой стадии развития принята продолжительность генерации (g), т. е. время, за которое число клеток удваивается. Время генерации является величиной, характерной для данного вида и конкретных условий; оно может быть выражено уравнением:
где В – начальное количество бактерий в единице объема (массы) субстрата;
b – число бактерий через время t.
К концу логарифмической фазы число клеток достигает максимума и наступает максимальная стационарная фаза развития (рис. 22, участок кривой в), когда в течение некоторого времени число живых клеток остается более или менее постоянным. Число образующихся новых клеток соответствует примерно числу отмерших.
Наконец наступает фаза отмирания (рис. 22, участок кривой г), когда все большее число клеток теряет жизнеспособность и погибает. Это наступает вследствие истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий.
Длительность отдельных фаз развития может значительно колебаться у разных бактерий и у бактерий одного и того же вида в зависимости от условий их роста.
Изучение влияния условий среды на микроорганизмы дает возможность выявить условия, ограничивающие или исключающие рост возбудителей порчи и отравлений на продуктах питания.
Регулируя условия существования, можно управлять развитием, подавлять или, наоборот, интенсифицировать биохимическую деятельность микроорганизмов.
Факторы или условия внешней среды, влияющие на развитие микробов, могут быть подразделены на четыре основные группы: физико-химические, физические, химические и биологические.