Меню

Как осуществляется питание микробов

Физиология микроорганизмов

Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, питания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.

Питание микроорганизмов

Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболочку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нерастворимые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.

По способу питания микроорганизмы разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.

Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и воды) органические соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микробы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окислительных реакций (хемосинтез).

Гетеротрофы используют для питания в основном готовые органические соединения. Микробы, питающиеся органическими веществами отмерших животных или растительных организмов, называют сапрофитами. К ним относятся бактерии гниения, грибы и дрожжи. Паратрофные микроорганизмы, или паразиты, живут за счет питательных веществ живых клеток организма хозяина. К паратрофам относится большинство болезнетворных микробов.

Обмен веществ и состав микроорганизмов

Все реакции обмена веществ в микробной клетке происходят при помощи биологических катализаторов — ферментов. Большинство ферментов состоят из белковой части и простетической небелковой группы. В простетическую группу могут входить такие металлы, как железо, медь, кобальт, цинк, а также витамины или их производные. Некоторые ферменты состоят только из простых белков. Ферменты специфичны и действуют только на одно определенное вещество. Поэтому в каждом микроорганизме находится целый комплекс ферментов, причем некоторые ферменты способны выделяться наружу, где участвуют в подготовке к усвоению сложных органических соединений. Ферменты микроорганизмов используются в пищевой и других видах промышленности.

Вода. Микробная клетка на 75-85 % состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные вещества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обмена удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных структур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50 % и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.

Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14 %), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.

Белки — основной пластический материал любой живой клетки, и микробной в том числе. Белки составляют основу цитоплазмы, входят в состав оболочки клетки и некоторые клеточные структуры. Они выполняют очень важную каталитическую функцию, так как входят в состав ферментов, катализирующих реакции обмена в микробной клетке.

В клетке микробов содержатся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК находится в основном в ядре клетки или нуклеотидах, РНК — в цитоплазме и рибосомах, где участвует в синтезе белка.

Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или капелек.

Углеводы входят в состав оболочек, капсул и цитоплазмы. Они представлены в основном сложными углеводами — полисахаридами (крахмал, декстрин, гликоген, клетчатка), могут быть в соединении с белками или липидами. Углеводы могут откладываться в цитоплазме в виде зерен гликогена, как запасного энергетического материала.

Читайте также:  Киста левой почки лечение питание

Минеральные вещества (фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходимы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.

Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с пищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В2 или В12.

Дыхание микроорганизмов

Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с затратой энергии. Большинство микробов используют энергию химических реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.

Аэробные микроорганизмы (аэробы) используют энергию, выделяемую при окислении органических веществ кислородом воздуха с образованием неорганических веществ, углекислого газа и воды. К аэробам относятся многие бактерии, грибы и некоторые дрожжи. В качестве источника энергии они чаше всего используют углеводы.

Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для дыхания кислород, они живут и размножаются при отсутствии кислорода, получая энергию в результате процессов брожения. Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка перфрингенс), маслянокислые бактерии и др.

В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50 % выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, гак и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.

Источник



Как осуществляется питание микробов

Питание микробов

Процесс питания микробов имеет свои особенности, сюда относятся поступление питательных веществ через всю поверхность клетки, исключительная быстрота их ассимиляции и диссимиляции, необычайная способность приспособления к условиям внешней среды, использование для питания самых разнообразных веществ благодаря разнообразию своих ферментов.

Из органогенов потребность в кислороде и водороде удовлетворяется за счет воды и частью за счет кислорода воздуха. В отношении же потребности углерода и азота микробы разделяются на различные группы.

Микроорганизмы в отношении углеродного питания разделяются на две физиологические группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы используют в качестве единственного источника углерода углекислоту атмосферы. Ассимиляция СО2 является эндотермическим процессом, поэтому требуется затрата посторонней энергии. Источником такой энергии является или солнечная энергия, как и у высших растений (фотосинтез), или химическая энергия (хемосинтез), получаемая бактериями за счет окисления некоторых минеральных веществ.

К фотоавтотрофам относятся зеленые и пурпурные серобактерии, содержащие фотосинтезирующие пигменты. Пурпурные серобактерии имеют бактериохлорофилл, а зеленые — бактериовиридин. Кроме того, те и другие содержат каротиноиды.

К хемоавтотрофам относятся следующие бесцветные бактерии: 1) нитрифицирующие; 2) бесцветные серобактерии; 3) тионовые; 4) водородные бактерии; 5) железобактерии. Явление хемосинтеза у бактерий было открыто Виноградским в 1888 г. Он показал, что в клетках нитрифицирующих бактерий сопряженно совершаются два процесса: 1) окисление аммиака в азотную кислоту с выделением энергии и 2) восстановление СО2 до органических соединений.

Для роста автотрофов достаточно наличие таких, например, соединений, как NaCl, K2HPО4, MgSО4, FeCl3 и (NH4)24. Углерод автотрофы получают из углекислоты или из карбонатов. Из этих соединений они синтезируют свои углеводы, жиры, белки, витамины, ферменты и другие соединения. Энергию для такого синтеза они получают за счет окисления таких неорганических простых соединений, как H2S (серобактерии), NH3, NaNО2, NH4OH (нитрифицирующие бактерии), FeCО3 (железобактерии), Н2 (водородные бактерии).

Читайте также:  Рецепты питания для мейн кунов

Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений. Они составляют обширную группу, в которую входят сапрофиты или метатрофы, возбудители брожений, гнилостные микробы. Сюда же относятся все болезнетворные бактерии, причем большинство патогенных бактерий в организме больного питается за счет веществ этого организма, а на искусственных питательных средах — за счет мертвых органических веществ (палочки брюшного тифа, бруцеллеза, сибирской язвы и др.).

Среди гетеротрофных организмов имеется ряд специфических групп, которые усваивают углерод только из определенных органических соединений, что явилось результатом приспособления к внешней среде. Так, микробы, населяющие растительные остатки, приспособились разлагать клетчатку, из залежей нефти бактерии потребляют углеводороды. Молочнокислые бактерии, обитающие на молоке, усваивают лактозу, а обитающие на растениях — мальтозу.

Образовались целые физиологические группы — клетчаткоразлагающие бактерии, пектиноразлагающие и пр.

Питательная ценность источников углеродного питания в большой степени зависит от степени окисленности атомов углерода. Наиболее доступными источниками углерода являются полуокисленные атомы углерода — СН2ОН, СНОН, СОН.

Наиболее полноценными источниками углерода являются сахара, особенно гексозы, многоатомные спирты (маннит, сорбит), органические кислоты (глюкороновая, молочная) и др. Но количество источников углерода необычайно велико. Так же велико и число групп микробов, приспособившихся к их усвоению. Можно сказать, что, за исключением разве графита и алмаза, нет такого углеродистого соединения, которое не было бы разложено теми или иными микроорганизмами, есть бактерии, усваивающие даже такие дезинфицирующие вещества, как фенол (в слабых разведениях). Материалы, применяемые для изоляции металлических кабелей, капрон, резина и пр. во влажной почве рано или поздно начинают разлагаться микробами.

В последнее время у некоторых гетеротрофов — бактерий, грибов, протозоа найдена способность ассимилировать также углекислоту и образовывать из нее сложные органические вещества, однако при этом не происходит накопления энергии, как в процессе фотосинтеза.

В отношении азотистого питания микробы также разделяются на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавтотрофные синтезируют белковые вещества за счет минеральных источников азота (аммиак, аммонийные соли, азотнокислые соли, азот атмосферы) или простейших форм органического азота. Сюда относятся главным образом почвенные бактерии — нитрифицирующие, азотфиксирующие.

Аминоавтотрофные бактерии для усвоения азота из минеральных источников и из простейших органических соединений предварительно переводят их в аммиак и из аммиака синтезируют аминокислоты. Аммиак, как восстановленная форма азота в клетке, довольно легко преобразуется в аминогруппы. Но надо иметь в виду, что многие виды бактерий этой группы не развиваются на готовых аммиачных солях, так как эти соли обладают большой физиологической кислотностью, рН слишком сильно снижается. Мочевина — простейшее органическое соединение — также сперва расщепляется на аммиак и углекислоту. Аминоавтотрофы могут сами синтезировать все необходимые им аминокислоты из простых источников углерода, азота, серы. В почве имеются бактерии, усваивающие молекулярный азот атмосферы, — азотфиксирующие бактерии. К ним относятся свободноживущие азотобактер и клостридий пастерианум и живущие на корнях бобовых растений клубеньковые бактерии.

Аминогетеротрофы не способны синтезировать белковую молекулу или некоторые аминокислоты из простых соединений азота. Они нуждаются в готовых белках или аминокислотах. В эту группу входят сапрофиты, гнилостные, молочнокислые бактерии, патогенные микробы. Оболочка бактериальных и грибных клеток не пропускает высокомолекулярные белки, через нее проходят только пептиды, состоящие всего из пяти аминокислот. Поэтому белками могут пользоваться только микроорганизмы, которые выделяют в среду протеазы, расщепляющие белковые молекулы до пептидов и аминокислот. Протеолитическую активность микробов определяют по их способности главным образом разжижать желатину.

Читайте также:  Как организовать питание отдыхающим

Если в питательной среде имеется полный набор необходимых для данного микроба аминокислот, то он усваивает их в готовом виде. Гидролизат казеина молока содержит все необходимые аминокислоты, за исключением триптофана, который разрушается минеральными кислотами. Многие гетеротрофы хорошо усваивают пептон, который получают путем расщепления белков ферментом пепсином обычно до полипептидов. Если же в среде недостает микробу хотя бы одной необходимой аминокислоты, то он создает недостающие аминокислоты путем дезаминирования других аминокислот. В результате дезаминирования образуется аммиак, который уже идет на построение нужных аминокислот. Если аминокислота является в среде единственным источником азота, то микроб дезаминирует ее, чтобы извлечь из нее азот. Если в среде кроме аминокислоты имеются еще другие азотистые вещества, то микроб усваивает аминокислоту без разложения ее.

Некоторые микробы настолько приспосабливаются к паразитическому существованию, что живут только за счет неизмененного (нативного) белка, они называются паратрофами (менингококк, гонококк и др.).

Плесневые грибы и актиномицеты могут усваивать азот из различных источников — из пептонов, аминокислот, аммонийных и азотнокислых солей.

Потребность различных микробов в аминокислотах различна. Для одних видов необходимо наличие двух-трех аминокислот (стафилококк), для других — 9-10 аминокислот (стрептококк), молочнокислые бактерии нуждаются в наличии всех аминокислот, какие имеются в молоке, т. е. в естественной среде их обитания.

Многие гетеротрофы неспособны синтезировать витамины, пуриновые и пиримидиновые основания и другие дополнительные факторы роста. Они должны получать их в готовом виде. Так, особенно много бактерий и грибов нуждается в витамине В6. Столбнячная палочка нуждается в рибофлавине, молочнокислые бактерии — биотине, витамине B12.

Микроорганизмы, требующие для своего развития те или иные аминокислоты, витамины и другие ростовые вещества в готовом виде, называются ауксотрофами. Не обладающие такой требовательностью называются прототрофами. Не следует смешивать их с аутотрофами.

С другой стороны, многие микробы сами синтезируют различные витамины, ферменты, ростовые вещества в таком количестве, что выделяют их во внешнюю среду. Так, микрофлора кишечника некоторых животных в достаточной степени обеспечивает их пантотеновой кислотой, витамином B12, ферментом целлюлозой.

Ниже представлена таблица типов питания микробов, предложенная Н. Д. Иерусалимским.


Таблица 4. Типы питания микроорганизмов

К первому типу питания относятся вирусы и риккетсии, неспособные существовать вне клеток своего хозяина. Они используют ферменты хозяина. Все остальные микробы могут развиваться на искусственных питательных средах.

Ко второму типу относятся патогенные микробы — возбудители газовой гангрены, столбняка, гемолитический стрептококк микоплазмы, а также молочнокислые бактерии. Они нуждаются в различных аминокислотах, гемине, рибофлавине. Тиамин, фолиевая и пантотеновая кислоты необходимы в виде полной молекулы. Третий тип составляет паразитарная и сапрофитная микрофлора, например: палочка брюшного тифа, дифтерии, золотистый стафилококк, пропионовокислые, некоторые гнилостные, уксуснокислые бактерии, дрожжи. Они нуждаются только в некоторых аминокислотах, вместо сложных витаминов довольствуются их осколками. В четвертую группу входят бактерии типа кишечной палочки, фитопатогенные грибы, пленчатые дрожжи, аэробные бациллы. Пятую группу составляют обычные обитатели почвы — актиномицеты, микобактерии, грибы, бактерии типа псевдомонас, азотфиксаторы и др. Шестая группа — автотрофы, развивающиеся в отсутствие органических веществ, ассимилирующие углекислоту.

Источник