Физиология микроорганизмов (часть1)

Физиология микроорганизмов изучает функции, а также биохимические процессы, происходящие в их клетках и окружающей среде. Конкретно физиология микроорганизмов рассматривает их питание, дыхание, размножение, движение, спорообразование и превращение веществ.

Питание микроорганизмов происходит при посредстве диффузии (самостоятельное проникновение) и осмоса (проникновение под влиянием чего-то) жидких питательных веществ сквозь полупроницаемую оболочку клетки и выделения наружу продуктов обмена. Быстрота процесса проникновения питательных веществ через оболочку зависит от строения клетки, в том числе от концентрации питательных веществ в ней и окружающей среде, и внешних условий. Большинство микроорганизмов живет в солевых растворах, приближающихся к 0,5%-ному раствору хлористого натрия, обеспечивающих осмотическое давление клеточного сока в пределах 3—6 атмосфер. При внесении микроорганизмов в концентрированные гипертонические растворы поваренной соли или сахара вода из них отсасывается наружу и протоплазма клеток сморщивается. Это явление называется плазмолизом. В таких условиях микроорганизмы прекращают развитие и в большинстве случаев гибнут. На этом явлении основано длительное хранение продуктов: соление (грибов, мяса), консервирование (плодов, овощей), варение (фруктов в сахаре). Однако встречаются осмофильные микроорганизмы, которые переносят высокие концентрации солей, Сахаров, меда.

Так, некоторые микроорганизмы (например, водоросли Dunaliena salina, Asteromonas gracilis обитают в соленых озерах, бактерии (Leuconostoc mesenteroides) — в растворах сахара, дрожжи (Zygosaccharomyces mellis acidi) — в меде. У них осмотическое давление достигает 20—50 атмосфер и выше. Микроорганизмы, помещенные в гипотонические растворы (дистиллированную воду), сильно набухают под воздействием притекающей извне воды, округляются, некоторые из них разрываются. Явление набухания носит название плазмоптиса.

Микроорганизмы для питания используют самые разнообразные вещества. Для них необходимы минеральные вещества (сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо) и органогены, т. е. элементы, входящие в органические соединения (кислород, водород, углерод и азот). Кроме того, в очень малых количествах для нормального развития микроорганизмов требуются микроэлементы (цинк, бор, кобальт, марганец), которые содержатся в водопроводной воде и минеральных солях. Для развития некоторых микроорганизмов необходимы также особые вещества — стимуляторы роста, или ростовые вещества, которые содержатся в экстрактах дрожжей, кукурузном экстракте, проростках растений. В этих веществах имеются необходимые для жизни витамины, аминокислоты и близкие к ним вещества.

Кислород и водород микроорганизмы получают в основном из воды и органических соединений. Некоторые бактерии усваивают и свободный кислород воздуха.

По способу использования углерода микроорганизмы делятся на автотрофов (автос — сам, трофе — питание) и гетеротрофов (гетерос — другой).

Автотрофы, или прототрофы (протос — простой), усваивают углерод из углекислоты воздуха. В отличие от зеленых растений, поглощающих углекислоту с помощью фотосинтеза, т. е. энергии солнечных лучей, микроорганизмы усваивают углекислоту с помощью хемосинтеза, т. е. энергии, получаемой при окислении некоторых минеральных соединений, например нитрифицирующие микроорганизмы получают энергию при окислении аммиака в азотную кислоту, железобактерии — при окислении закиси железа в окись железа, серобактерии — при окислении сероводорода в серу, сернистую и серную кислоты.

Гетеротрофы — микроорганизмы, усваивающие углерод только из готовых органических соединений. К ним относятся микроорганизмы брожения, гнилостные и патогенные (болезнетворные) микроорганизмы. Каждый вид микроба развивается на средах с определенной концентрацией водородных ионов (рН). Гетеротрофные микроорганизмы, в свою очередь, делятся на метатрофы (мета — после и трофе — питание), или сапрофиты (сапрос — гнилой, фитон — растение), и паратрофы (пара — возле, трофе — питание), или патогенные. Первые питаются мертвыми питательными веществами, вторые размножаются только в живых существах. Паратрофы являются возбудителями болезней растений, беспозвоночных и позвоночных животных. Деление микроорганизмов на автотрофов, метатрофов и паратрофов весьма условно. Резких граней между ними нет. Многие паратрофы (патогенные микроорганизмы) могут развиваться и на мертвых питательных средах.

Изучение эволюции органического мира показало, что паратрофы как паразиты других живых существ возникли в глубокой древности, на заре возникновения жизни. Современные паратрофы, как и все другие живые существа, находятся в развитии и продолжают совершенствовать свои паразитические свойства.

Дыхание микроорганизмов. Питание микроорганизмов обеспечивает построение оболочки, цитоплазмы и ядерной субстанции, а также размножение. Питание, как правило, сопровождается эндотермическими реакциями (с поглощением тепла), а дыхание, наоборот, экзотермическими реакциями (с освобождением тепла). Эти процессы протекают одновременно и обеспечивают необходимый для жизни обмен веществ, выражающийся в ассимиляции (усвоении) нужных веществ и диссимиляции (выведении) отработанных вредных шлаков.

По типу дыхания микроорганизмы делятся на аэробы (аэр — воздух) и анаэробы (не нуждающиеся в кислороде воздуха).

Аэробы живут в присутствии кислорода воздуха и получают тепловую энергию при окислении и расщеплении углеводов, при этом углевод расщепляется до воды и углекислоты, выделяя большое количество энергии. Так, грамм-молекула глюкозы образует 688 больших калорий тепла. Реакция протекает по формуле

C6H12O6 + 6O2= 6CO + 6Н2О + 688 килокалорий.

Анаэробы могут жить и развиваться только при отсутствии кислорода воздуха, для анаэробов такой кислород является ядом. Эти микроорганизмы в процессе дыхания получают энергию и необходимый для построения клетки связанный кислород путем (расщепления органических соединений. Между облигатными (строгими) аэробами и анаэробами существует много переходных групп. Имеются микроорганизмы факультативные (необязательные) — аэробы и анаэробы, могущие развиваться в тех и других условиях.

В анаэробных условиях расщепление одного и того же вещества, например глюкозы, дает значительно меньше энергии, чем в аэробных условиях. Так, из одной грамм-молекулы глюкозы дрожжи в анаэробных условиях дают тепла только 27 килокалорий:

С6Н12О6=2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 килокалорий.

Из этого видно, что для получения того же количества энергии, какое получают аэробы, анаэробы перерабатывают в десятки раз большие количества тех же самых органических соединений. Таким образом, дыхание микроорганизмов представляет собой совокупность биохимических аэробных и анаэробных процессов по освобождению энергии, используемой для их жизнедеятельности.

Окисление органических соединений, дающих освобождение энергии, происходит при активировании молекулярного кислорода или активировании в окисляемом соединении водорода. Известны два дыхательных фермента: оксидазы, активирующие кислород, и гидрогеназы, активирующие водород. При окислении кислорода воздуха образуются перекиси, выделяющие под влиянием пероксидаз атомы кислорода, которые окисляют используемые микробом соединения. Активирование водорода происходит при образовании перекиси водорода, губительно действующей на клетку. Перекись водорода нейтрализуется каталазой, выделяемой многими видами микроорганизмов.

Физиология микроорганизмов (часть2)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *