Основи мікробіології

щодо джерела енергії (хемотрофія, фототрофія).

За відношенням до джерела вуглецю мікроорганізми поділяються на автотрофи та гетеротрофи. Автотрофи застосовують СО2 і самі синтезують органічні речовини. Донором електронів в них є неорганічні сполуки: Н2, NH3, H2S, S, Fe2+. В залежності від донора бактерії мають назву : водневі, нітрифікуючи, сіркобактерії, залізобактерії. Їх назва – літоавтотрофи. Більшість з них виконує важливі функції в кругообігу речовин в природі. С.М. Виноградський відкрив новий тип живлення – хемосинтез,коли окислення молекулярного водню, NH3,H2S і задіза є джерелом енргії аеробних актерій.

Серед автотрофів відомі ціанові, пурпурові, зелені актерії, я кі використовують сонячну енергію і проводять фотосинтез.

Гетеротрофи – це мікроорганізми, які для живлення потребують органічні сполуки: амінокислоти, білки, вуглеводи, ліпіди. Їх сучасна назва – хемоорганогетеротрофи. У цих організмів вуглецева сполука є єдиним джерелом вуглецю, електронів і енергії. Це найбільш досліджена група мікроорганізмів, широко розповсюджена в природі. Вони поділяються на сапрофіти і паразити.

Враховуючи три критерії виділяють 8 груп мікроорганізмів, що різняться за типом живлення

Механізм транспорту поживних речовин до клітини

Мікроорганізмам властивий голофітний тип живлення. Вони не мають органів травлення, а поживні речовини надходять у водному розчині різними механізмами. Особлива регуляторна роль в транспорті поживних речовин до середини клітини і виведенні метаболітів назовні належить цитоплазматичній мембрані. ЦПМ має пори малого діаметру, які характеризуються вибірковою напівпроникністю. В ЦПМ локалізовані пермеази – білки переносу із суворою специфічністю до субстратів. Їх кількість буває значною.

Розрізняють такі типи транспорту:

активний транспорт – коли з середовища із низькою концентрацією поживних речовин у клітину поступають харчові речовини за допомогою пермеаз і енергії АТФ.

полегшена дифузія – коли із середовища з високою концентрацією речовини транспортуються за допомогою пермеаз без затрат енергії.

пасивна дифузія – коли із середовища речовини рухаються з зони високої концентрації в зону низької концентрації в клітину за градієнтом концентрації або електростатичного потенціалу.

Існують три типи станів клітини, які обумовлені співвідношенням концентрації речовин назовні і в середині клітини.

1-ий стан – нормальний стан клітини – тургор – коли клітина знаходиться в ізотонічному розчині (0,85% NaCl). В цьому випадку дифузія осмотично активних речовин в клітину формує внутрішньоклітинний осмотичний тиск. Він зветься тургор і коливається у великих діапазонах 1,5 МПа. Тургор забезпечує транспорт води у клітину. ЦПМ щильно прилягає до клітинної стінки і тиск в середині клітини трохи більший ніж тиск ззовні.

2-ий стан – плазмоліз – якщо клітина потрапляє в середовище з високим осмотичним тиском (гіпертонічний розчин), то ЦПМ віддає воду і вміст клітини зневоднюється, стискається. Клітина переходить спочатку у стан анабіозу, тобто зберігає життєздатність, а потім – до стану абіозу, гине. В технології консервування застосовують при солінні 25% NaCl і при виготовленні варіння 50% сахарозу. В такій концентрації вони виявляють бактеріостатичну дію, тобто бактерії не розмножуються але не гинуть і бактерицидну дію, коли наступає загибель бактерій.

3-ий стан – плазмоптіс – бактеріальна клітина потрапляє в гіпотонічний розчин, наприклад, це відбувається коли клітина потрапляє в дистильовану воду.

Існують мікроорганізми, які виявляють резистентність до високої концентрації речовин в середовищі. Стійкі організми, що можуть жити, розвиватись, розмножуватися при високому осмотичному тиску називаються осмофільними. Відомі бактерії галофіли, які здатні розмножуватися в середовищі з високим вмістом NaCl, серед них бувають облігатні галофіли, які потребують обов’язково 12% NaCl і більше. Факультативні галофіли можуть розмножуватися і при 1-2%,і 10-12%.

Розмноження мікроорганізмів

Ріст бактерій – це збільшення кількості компонентів в клітині, її розмірів і маси. Розмноження бактерій – це збільшення числа клітин в популяції. Прокаріоти розмножуються бінарним діленням. Також відомі факти кон’югації ( статтєве розмноження). В штучних умовах на незмінному поживному середовищі розмноження відбувається за певними закономірностями.

Розрізняють 4 фази розмноження:

лаг-фаза або фаза затримки росту. Вона триває дві години. Це відбувається тому що бактерії пристосовуються до умов, кількість клітин впродовж цієї фази не збільшується.

фаза логарифмічного росту – при цьому в геометричній прогресії збільшується кількість клітин. Вона ще називається експоненціальною і триває 5-6 годин.

стаціонарна фаза – це коли кількість нових клітин дорівнює кількості відмерлих клітин. Ця фаза триває 2 години.

фаза відмирання – в цій фазі кількість нових клітин менше ніж кількість відмерлих. У спороутворюючих мікроорганізмів йде процес утворення спор.

До причин загибелі мікроорганізмів відносяться лізіс власними ферментами ( цей процес проходить у лізосомах), накопичення токсинів-метаболітів життєдіяльності та збіднення поживного середовища.

Біогеохімічна діяльність мікроорганізмів. Роль мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі

Вміст в атмосфері азоту, кисню і вуглекислого газу, інших хімічних елементів, виявлених на поверхні Землі і необхідних для життя, відображає рівновагу між їх утворенням у біологічних і геологічних процесах. Ці перетворення відбуваються у всій біосфері, тобто в тій тонкій оболонці життя на поверхні Землі, що охоплює океани, моря, прісні водоймища, грунт континентів і нижню частину атмосфери, і в якій тільки і містяться живі організми. Загального вмісту головних хімічних елементів, необхідних для життя, зокрема вуглецю й азоту, які є в атмосфері, при їхньому однобічному споживанні навряд чи вистачило б на мільйони років.

Біосфера знаходиться в більш-менш стійкому стані завдяки безперервному припливу сонячної енергії і постійному кругообігу вуглецю кисню, азоту, сірки і фосфору. У цілому ці процеси виглядають так: за допомогою сонячної енергії фотосинтезуючі організми перетворюють вуглекислий газ та інші неорганічні речовини в глюкозу та інші органічні сполуки, які прямо чи побічно служать джерелом енергії для всіх інших організмів. У свою чергу фотосинтезуючі організми – одноклітинні водорості, які живуть в океані і вищі рослини, які ростуть на суші, - служать джерелом харчування для тварин. У такий спосіб органічна речовина, що накопичується щорічно, у процесі фото синтезуючої діяльності переробляється на різних рівнях життя консументами і деструкторами. До перших належать, головним чином, тварини, до других – гриби і бактерії. Послідовність цих подій виражається в трофічних ланцюгах або ланцюгах харчування. Кінцева, деструктивна ланка цього ланцюга – мінералізація органічних речовин з поверненням вуглекислого газу в атмосферу – здійснюється гетеротрофними мікроорганізмами.

Деструктаторами природних біополі мерів (білки, нуклеїнові кислоти, геміцелюлози, пектин, крохмаль, целюлоза та ін.) можуть бути лише ті мікроорганізми, які синтезують гідролітичні ферменти. В аеробній зоні до таких мікроорганізмів відносяться гриби, грампозитивні бактерії, у тому числі й актиноміцети. В анаеробній зоні – це тільки бактерії, в основному з групи клостридій. В аеробній зоні відбувається практично повне перетворення полімерів із звільненням вуглекислого газу. В анаеробних умовах у процесі первинного розкладання органічних речовин як продукти розпаду утворюються жирні кислоти, спирти і молекулярний водень, які частково використовуються сульфітредукуючими, денітрифікуючими і метаноутворюючими бактеріями. Володіючи досить активним ферментним апаратом, мікроорганізми здійснюють процеси розщеплення і синтезу самих складних органічних речовин. Завдяки їх мінералізуючій діяльності поверхня Землі постійно очищується від трупів тварин і залишків рослин. За словами В.Л. Омелянського, мікроорганізми є дійсними могильниками органічного світу.

Кругообіг азоту

Азот – це біогенний елемент, складова частина структурних білків, ферментів, нуклеїнових кислот, АТФ та ін. Близько 4/5 повітря, яке нас оточує, приходиться на частку вільного азоту, над кожним гектаром ґрунту піднімається стовп повітря, котрий містить близько 80 тис. тонн молекулярного азоту. Газоподібний вільний азот не асимілюється рослинами, тваринами і людиною. Багато форм зв’язаного азоту не можуть служити джерелом азотного живлення для рослин. Азот, який надходить у виді білкових речовин у грунт разом із залишками рослин і тварин, зовсім не підходить для цих цілей, він має бути окислений у солі азотистої та азотної кислот (нітрити і нітрати). Кругообіг азоту – це складний біохімічний процес, який складається з чотирьох етапів: азот-фіксація; амоніфікація; нітрифікація; денітрифікація.

Фіксація атмосферного азоту здійснюють мікроорганізми, які здатні засвоювати молекулярний азот N2 і переводити його в зв’язаний стан. Внаслідок їх діяльності йде накопичення рослинних білків, в цьому приймають участь два типи бактерій:

бульбачкові – вони живуть у симбіозі з бобовими рослинами;

другі живуть вільно у грунті і воді. (Azotobacter, Clostridium pasturiaum)

Рослинні білки поглинають споживачі органічних речовин консументи. Результат – накопичення тваринних білків.

Амоніфікація – це розкладання редуцентами білків рослинного походження як мертвих, так і живих. Сапрофіти проводять амоніфікацію мертвих органічних сполук. Це бактерії і мікроміцетові гриби. Назва процесу походить від аміак NH3, тому що в процесі амоніфікації утворюється аміак як кінцевий продукт гідролізу, мінералізації білків в аеробних і анаеробних умовах під дією протеолітичних ферментів гнильних бактерій. У процесі гниття йде очищення Землі від трупів тварин і залишків рослин. Гнильні бактерії виконують санітарну роль. В аеробних умовах кінцеві продукти гниття – CO2, H2O, NH3, H2S, мінеральні солі. В анаеробних умовах поруч з CO2, H2O, NH3, H2S утворюються скатол, індол, крезол, меркаптани, леткі жирні кислоти, діаміни – тобто отруйні речовини. Серед гнильних бактерій є патогенні (Bac.cereus) і умовно патогенні Escherichia coli, Proteus vulgaris.

Гнильні бактерії – це організми, які мають протеолітичну активність. Вони за своєю природою є амоніфікаторами, які мають оптимум температурного розвитку в межах 30 – 40 ºС. Тобто їх відносять до мезофілів. Вони є хемоорганогетеротрофами і за морфологією є паличкоподібними, але серед них є палички, які утворюють спори, не утворюють спор, аеробні та анаеробні. Тому виділяють 4 группи:

Аеробні палички, що не утворюють спор. Представники групи - грамнегативні та рухливі палички - Pseudomonas fluorescens i Serratia marcescens. Ці два вида утворюють пігменти: перший флюорисцентний, а другий – пігмент червоного кольору . На МПЖ проводять гідроліз желатину, згортають молоко,утворюють аміак, сірководень

Аеробні палички, що утворюють спори. Вони грампозитивні та рухливі. До них належать: Bac. subtilis, Bacillus licheniformis, Bac. cereus, Bac. megaterium, Bac. mycoiges. Ці бактерії здатні проводити гідроліз желатину, згортають молоко.

Факультативні анаероби. Бактерії нездатні утворювати спори, грамнегативні, рухливі. Представники: Escherichia coli, Proteus vulgaris. Протеї на скошеному агрі утворює вуаля – фенмен роїння. Кишкова паличка не являється типовим гнильним мікроорганізмом.

Облігатні анаероби. Вони здатні утворювати спори, грампозитивні, рухливі.

Предстаники: Clostridium sporogenes i Cl.рutrificum.

Ці мікроорганізми здатні накопичувати аміак і гідролізують МПЖ , але при цьому вони утворюють велику кількість інших газів (CO2, H2S). Вони можуть складати залишкову мікрофлору в стерилізованих консервах, і викликати псування, яке називається бомбаж. Всі гнильні бактерії виконують роль санітарів. Вони являють собою фактори біологічного самоочищення грунту, води. Їх застосовують в работі споруджень по знешкодженню фікальних нечистот і стічних вод, полів асенізації і полів зрошення.

Слідуючим етапом кругообігу азоту є нітрифікація. Це перетворення аміаку, амонійних солей до нітритів і нітратів. За схемою NH3→NO2 →NO3.На першому етапі приймає участь Nitrosomonas, а на другому Nitrosospira. Ці бактерії відносяться до хемолітоавтотрофів, вони проводять хемосинтез, є анаеробами, їх зуть нітрифікуючими. При окислені амаіка до азотистої і азотної кислот вивльняється енергія.

Денітрифікація – це процес протилежний нітрифікації:

HNO3 2HNO2 + O2

2HNO2 - проміжне з’єднання + O2

Проміжкове з’єднання N2+ H2O +O2

Цей процес відбувається під дією мікроорганізмів Pseudomonas denitrificans. Ці процеси призводять до збіднення грунту мінеральними солями, але їх діяльність компенсується діяльністю азот фіксуючих мікроорганізмів.

Кругообіг вуглецю

Неорганічний вуглець надходить в органічну форму біосфери в процесі фотосинтезу і навпаки – органічний вуглець повертається в атмосферу у вигляді СО2 завдяки різноманітним перетворенням природи. Велика роль в цьому належить діяльності мікроорганізмів при бродінні. Кожний тип бродіння спричиняється певною групою мікроорганізмів, які використовують вуглеводи, то їх називають хемоорганогетеротрофи. Збудники бродінь широко розповсюджені в природі і мають народногосподарське значення. Крім того, запаси вуглецю в атмосфері поповнюється за рахунок вулканічної діяльності і спалювання людиною паливних копалин. Хоча основна частина діоксиду вуглецю потрапляє в атмосферу поглинається океаном і відкладається у виді карбонатів, вміст діоксиду вуглецю у повітрі повільно, але неухильно підвищується.

При спиртовому бродінні відбувається розщеплення глюкози ферментами дріжджів, деяких грибів ( р. Mucor) з утворенням етанолу в анаеробних умовах. Спиртове бродіння застосовується при виробництві спирту, гліцерину, вина, пива, квасу, хліба, квашених овочів і ін. сферах.

Молочнокисле бродіння – це процес розпаду глюкози до молочної кислоти під дією ферментів молочнокислих бактерій. За рядом характеристик – за морфологією та культуральними ознаками та ін. їх класифікують на групи, але їх всіх об’єднує біохімічні властивості – здатність проводити бродіння – сахаролітична активність.

В залежності від того, які утворюються метаболіти, бродіння розрізняють: гомоферментативне, гетероферментативне, біфідобродіння

Але для всіх груп є інші загальні характеристики - вони всі відносяться до хемоорганогетеротрофами, ауксотрофні і мікроаерофіли. При гомоферментативному бродінні утворюється один метаболіт – молочна кислота.

При гетероферментативному бродінні утворюється декілька метаболітів: молочна кислота, етанол, оцтова кислота, СО2 і сукцинат. При біфідобродіння утворюється два метаболіти – молочна і оцтова кислоти.За морфологією молочнокислі – це гетерогенна група. Серед них зустрічаються палички і коки, але всі вони неспороутворюючи, грампозитивні і нерухливі.

Представники:

До гомоферментативних бактерій відносяться: Streptococcus lactis – мезофіл,Streptococcus casei – мезофіл; а до термофілів відносяться - Lactobacillus bulgaricus – термофіл, Lactobacillus acidophilus – термофіл

До гетероферментативн бактерій відносяться: Leuconostoc mesenteries, Lactobacillus fermentum

До біфідобактерій відносяться: Bifidobacterium bifidum

Збудники молочнокислого бродіння зустрічаються в ґрунті, на рослинах, в молочнокислих продуктах, в складі біоценозу кишкового тракту. До 50 % маси фекалій – це молочнокислі та інші бактерії. Вони являються антагоністами гнильних, тому що вони синтезують антибіотичні речовини – нізин, бревін, які є неблагоприємними до розвитку гнильних. накопичують молочну кислоту.

Молочнокислі бактерії використовують органічні форми азоту як джерело азотного харчування. Багато молочнокислих бактерій можуть асимілювати білки, хоча краще розвиваються на амінокислотах, пептидах і полі пептидах. Продукти розподу білкової молекули прекрасно засвоюються цими бактеріями.

Маслянокисле бродіння відбувається в анаеробних умовах. Під дією ферментів бактерій відбувається процес перетворення вугеводів переважно до масляної кислоти, води та вуглекислоти.Поруч утворюються бутанол, ацетон, етанол, оцтова кислота. Збудники маслянокислого бродіння відносяться до роду Cl. Це грампозитивні палички, рухливі, спороутворюючи (форма клітин ракетки, веретено). Клострідії – облігатні анаероби, хемоорганогетеротрофи, мезофіли, чутливі до рН середовище (opt. Для них рН = 7,0-7,3)

Як джерело вуглецю маслянокислі бактерії можуть використовувати моно- і дисахариди, деякі полісахариди (декстрини, крохмаль), молочну і піровіноградну кислоти, маніт, гліцерин і інші сполуки. У складних білкових середовищах при відсутності вуглеводу маслянокислі бактерії погано ростуть або зовсім не ростуть. Джерелом азоту служать різноманітні речовини – амінокислоти, аміачні сполуки і навіть молекулярний азот. Серед маслянокислих бактерії є сапрофіти (C. pasteurianum, C.buturicym, C. felsineum) та патогенні види (C. botulinum, C. tetani, C. perfringens).

Маслянокисле бродіння іноді буває небажаним. Наприклад, при його розвитку в кормах, що заквашуються, білкова частина корму розкладається, а масляна кислота, що накопичується, додає йому неприємного запаху. Разом з тим масляна кислота потрібна для деяких промислових цілей. Її одержують на заводах, піддаючи бродінню спеціально підготовлені середовища чистою культурою маслянокислих бактерій. Кислоту, що утворилася, відокремлюють і очищають хімічним методом.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7