Жизнедеятельность микроогранизмов

Введение

В последние десятилетия непрерывно возрастает интерес к изучению и практическому использованию микроорганизмов, мир которых чрезвычайно многообразен и динамичен. Микроорганизмы широко используются в качестве продуцентов многих полезных веществ: кормового белка, витаминов, антибиотиков, гормонов, ферментов, аминокислот. На использовании микроорганизмов основаны методы генной инженерии, позволяющие создавать новые штаммы, обладающие полезными свойствами и образующие ряд важных веществ. Микроорганизмы играют большую роль в природных процессах и в течении многих лет являются «полигоном», где современная наука исследует фундаментальные основы живой материи [1].

Повсеместное распространение, быстрое размножение и особенности
метаболизма микроорганизмов накладывают отпечаток на жизнь всей
планеты. Процессы, в которых принимают участие микроорганизмы, прежде
всего, являются определяющими и необходимыми звеньями круговорота
таких элементов, как углерод, азот, сера, фосфор, а также других биогенных элементов. Без микроорганизмов приостановился бы круговорот
веществ в природе и жизнь на Земле стала бы невозможной.
Многие микроорганизмы образуют в процессе метаболизма и выделяют во внешнюю среду различные органические и неорганические кислоты, под действием которых водонерастворимые соли переходят в растворимую форму, в результате чего улучшается питание растений. Микроорганизмы-редуценты – «санитары» природы. Они осуществляют разложение растительных и животных остатков и превращают их в минеральные вещества. Минерализация органических веществ имеет большое значение, так как при этом необходимые зеленым растениям элементы переходят из недоступной для них формы в доступную. Кроме того, микроорганизмы способны осуществлять деградацию отдельных искусственно синтезированных человеком органических веществ (ксенобиотиков) – пестицидов, гербицидов, поверхностно-активных веществ,
составляющих упаковочных материалов, нафталина, толуолов и др. Если
бы это не происходило, ксенобиотики бесконтрольно накапливались бы
в окружающей среде, загрязняя ее. Микроорганизмы принимают активное участие в биологическом самоочищении водоемов, выполняя функцию по обезвреживанию и окислительной переработке поступающих в водоем загрязняющих веществ.

Человек с древних времен интуитивно использовал уникальные особенности микроорганизмов, даже не подозревая об этом. С давних пор
процессы брожения применялись при приготовлении теста для хлеба,
пива, вина, уксуса, кисломолочных продуктов, росяной мочке льна.
Только в настоящее время стало известно, что все эти процессы происходят при участии определенных микроорганизмов, которые присутствуют на используемых для брожения субстратах.

Изучение биосинтетической деятельности микроорганизмов позволило установить их способность к синтезу самых разнообразных соединений, имеющих большое народнохозяйственное значение. В настоящее
время с помощью микроорганизмов в промышленных масштабах получают микробный белок, аминокислоты (глутаминовую, треонин, лизин,
пролин, глутамин), витамины (В12, рибофлавин), ферменты (амилазы,
пектиназы, протеазы, целлюлазы), интерферон, инсулин, гормон роста человека, органические кислоты (лимонную, молочную, масляную, уксусную, глюконовую),              полисахариды,               средства               защиты растений, антибиотики и другие ценные продукты [3].

Следует отметить, что еще имеются большие возможности, основанные на применении микроорганизмов, для расширения и совершенствования биотехнологических процессов. Решение таких актуальных проблем, как обеспечение человечества продуктами питания, возобновление
энергетических ресурсов, охрана окружающей среды, так или иначе будет связано с использованием микроорганизмов.

1 Микроорганизмы

Микроорганизмы — это мельчайшие организмы растительного или животного происхождения, видимые лишь в микроскоп. Несмотря на столь малые размеры, микроорганизмы очень сложные и весьма лабильные живые существа, имеющие много общего в строении клетки, обмене веществ, закономерностях роста и развития.

Наиболее важной особенностью микроорганизмов является их способность к быстрому размножению. Некоторые бактерии в благоприятных условиях делятся каждые 20...30 мин. В результате из одной бактерии массой 2,5*10-12 г за 2...4 сут. в условиях неограниченного роста могло бы образоваться 1010 т и более биомассы. В природе              этого, конечно, не происходит, так как действуют разные лимитирующие факторы. Но, очевидно, что скорость роста микроорганизмов намного превосходит скорости роста растений и животных.

Такая высокая скорость роста и размножения связана у микроорганизмов с высокой скоростью обмена веществ. Высокую интенсивность обмена веществ у микроорганизмов объясняют большим значением отношения поверхности клетки к ее объему. У мелких бактерий диаметром 0,5 мкм отношение поверхности к объему составляет 12*106 м -1 (для сравнения укажем, что у человека массой 90 кг эта величина всего лишь 30 м-1) [2].

1.1 Морфологические особенности микроорганизмов

Форма бактерий

По форме бактерии разделяются на три основные труппы: шаровидные, палочковидные и извитые (рисунок 1.1).

I— шаровидные; П— палочковидные; Ш— извитые; 1 — микрококки;             

2—диплококки; 3 стрептококки; 4 — тетракокки

Рисунок 1.1— Основные формы микроорганизмов

Шаровидные (кокковые) микроорганизмы по форме напоминают шар, но бывают овальные, односторонне вогнутые или слегка вытянутые. При делении кокков в одной плоскости клетки могут располагаться попарно — их называют диплококками. Если деление происходит последовательно в одной плоскости и клетки остаются соединенными в виде цепочек, — это будут стрептококки. Деление кокка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях приводит к образованию четырех клеток — тетракокка. Беспорядочное расположение клеток или образование скоплений, напоминающих грозди винограда, происходит при делении кокков в разных плоскостях, такие формы называют стафилококками.

Палочковидную, или цилиндрическую, форму имеют многие бактерии. Концы палочек чаще всего закруглены, но могут быть срезаны под прямым углом. Палочки, как и кокки, могут располагаться попарно, тогда их называют диплобактериями. Если клетки располагаются цепочкой, то их называют стрептобактериями.

Извитые, или спиральные, формы микроорганизмов различают не только по длине и диаметру, но и по числу завитков. Вибрионы напоминают по форме запятую; спириллы образуют до 3...5 завитков; спирохеты имеют более пяти завитков и кроме первичных еще и вторичные завитки.

Кроме описанных встречаются и иные формы микроорганизмов. Так, микобактерии наряду с палочковидной формой на ранней стадии развития имеют ветвящуюся форму. Особенно сильным ветвлением характеризуются клетки актиномицетов.

На форму и размеры клеток оказывают влияние состав среды, возраст культуры и условия культивирования.

Размеры бактерий

Микроорганизмы — микроскопические организмы, их размеры определяют в микрометрах (1 мкм = 10-6 м). Шаровидные формы имеют диаметр 0,7...1,2 мкм; палочковидные— длину 1...10 мкм, ширину 0,5... 1,0 мкм; нитчатые формы бактерий достигают в длину нескольких десятков микрометров.

Еще меньше размеры органелл клеток. Они измеряются в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Чтобы представить размеры этих существ, достаточно сказать, что в  1 мл речной воды может вместиться несколько миллионов микробных клеток, а в 1 г почвы — несколько миллиардов.

Строение клеток микроорганизмов

Чрезвычайно малые размеры микроорганизмов долгое время не позволяли изучить их строение, поэтому их относили к организмам, Устроенным очень просто. Улучшение техники микроскопирования, появление электронных и люминесцентных микроскопов, разработка методов окраски клеток позволили изучить детали тонкой структуры микробной клетки.

Строение клеток микроорганизмов довольно сложно и в общих чертах одинаково со строением клеток животных и растений. Прокариотические и эукариотические микроорганизмы существенно различают по строению клетки и функциям отдельных клеточных структур и органоидов (рисунок 1.2).

1 — клеточная стенка, 2 — цитоплазматическая мембрана, 3 — ядро, 4- митохондрия, 5 — аппарат Гольджи, 6 — липидные включения, 7 — вакуоль, 8— эндоплазматический ретикулум

Гли — гранулы гликогена; Ж — жгутик; Кпс — капсула; КСт — клеточная стенка; Ли — липидные капельки; ПГМ — поли-β-гидроксимасляная кислота; Пи — пили; Плз — плазмида; ПМ — плазматическая мембрана; ПФ — гранулы полифосфата; Ри — рибосомы и полисомы; Я— нуклеоид; S— включения серы

Рисунок 1.2 — Схема строения дрожжевой (а) и прокариотической клетки (б)

Строение клетки рассмотрим на примере более развитой эукариотической дрожжевой клетки. Структура прокариотической клетки (бактерий) гораздо проще, и ее основные отличия будут указаны ниже. От внешней среды микробную клетку отделяет оболочка, которая состоит из капсулы, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Роль оболочки огромна: она придает клетке определенную форму, защищает ее от неблагоприятных воздействий, через нее осуществляется обмен веществ между клеткой и окружающей средой.

Капсула не является обязательной частью бактериальной клетки. Она выполняет защитную функцию, предохраняя бактерии от механических повреждений и высыхания. Капсула может покрывать клетку толстым слоем или тонкой пленкой.

Клеточная стенка многослойна, она состоит чаще всего из трех, а иногда и из десяти слоев, которые у эукариотов содержат белково-сахаридные комплексы, а у прокариотов — гликопептид муреин. Эти вещества придают определенную форму и прочность микробным клеткам. Клеточная стенка — достаточно плотное образование толщиной от 150 до 280 нм и имеет поры диаметром до 3,6 нм, через которые различные вещества поступают внутрь клетки или выделяются из клетки во внешнюю среду. Такая клеточная стенка выдерживает определенное внутриклеточное осмотическое давление.

Прокариоты по составу и строению клеточной стенки делятся на две группы в зависимости от окраски по Грому: грамположительные и грамотрицательные.

Цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) отделяет цитоплазму от клеточной стенки. Мембрана построена из бимолекулярного слоя фосфолипидов, в котором располагаются белковые молекулы или их комплексы. Это так называемая «мозаичная» структура цитоплазматической мембраны (рисунок 1.3). В бимолекулярном слое фосфолипидов полярные части их молекул (шарики) обращены к внешней поверхности, а гидрофобные (хвостики) — к внутренней поверхности слоя. Белковые глобулы могут находиться на поверхности или быть погруженными в слой фосфолипида. Фосфолипиды и молекулы белков пребывают в непрерывном движении и взаимодействии. В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию. По этому принципу образованы все клеточные мембраны. Толщина мембраны составляет 8 нм.

Мембрана обеспечивает гомеостаз: постоянство внутриклеточного осмотического давления, избирательную проницаемость разных веществ; в ней находятся ферменты, регулирующие процессы обмена клетки с окружающей средой. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану осуществляется по различным механизмам, которые еще мало изучены.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки — представляет собой коллоидный раствор углеводов, аминокислот, ферментов, минеральных и других веществ в воде. Вязкость цитоплазмы в 800 раз выше вязкости воды. В цитоплазме находятся важнейшие клеточные органоиды — ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы и др.

Маленькие шарики с хвостиками — фосфолипиды, большие комки неправильной формы — белки

Рисунок 1.3 -— Мозаичная модель клеточной мембраны

Эндоплазматическая сеть, или ретикулум, представляет собой мембранное образование, которое в виде мелких канальцев или пузырьков находится в различных участках цитоплазмы. Своей обширной мембранной поверхностью это образование изолирует и локализует различные ферментные системы, которые катализируют синтез липидов, углеводов и других веществ.

Рибосомы находятся в цитоплазме либо на поверхности мембраны (тогда они активны), либо свободно плавают. Обычно они шаровидны, их размер составляет всего 15—35 нм. На рибосомах происходит биосинтез белка. В состав рибосом входят рибонуклеопротеиды, т. е. РНК и белковый комплекс. Количество рибосом зависит от возраста клетки и условий ее обитания.

Митохондрии имеются только у эукариотов. Это сравнительно большие, несколько изогнутые замкнутые структуры. Размеры митохондрий варьируются в широких пределах. Митохондрии покрыты оболочкой, которая состоит из двух мембран. Между мембранами находится водянистая жидкость. Внутренняя мембрана образует большие складки — кристы, которые значительно увеличивают общую поверхность мембраны (рисунок 1.4). В составе митохондрий обнаружены полифосфаты, РНК и ДНК. Митохондрии являются почти автономными структурами в клетке, которые размножаются самостоятельно, продуцируя свои специфические белковые вещества.

На поверхности внутренней мембраны митохондрий обнаружены особые частицы, которые участвуют в переносе электронов. Там же на внутренней мембране происходят окислительные реакции цикла трикарбоновых кислот (или цикла Кребса) и окисление жирных кислот. Следовательно, именно здесь протекает большинство реакций которые дают энергию и исходные вещества для клеточного роста. У бактерий митохондрии отсутствуют.

а—схема строения; б—продольный разрез; 1 — внешняя мембрана; 2— внутренняя мембрана; 3 — кристы; 4 —метрике

Рисунок 1.4 — Митохондрия

Ядро играет главную роль в передаче генетической информации, регулирует обмен веществ и т. д. В клетках эукариотов ядра окружены оболочкой и имеют различную форму и размеры. В ядерной оболочке обнаружены сравнительно большие поры.

У бактерий, которые принадлежат к группе прокариотных микроорганизмов, ядро не выражено, но имеется его аналог — нуклеоид.

Главная составная часть ядра и нуклеоида — ДНК, в которой закодирована генетическая информация.

Аппарат Гольджи представляет собой мембранное образование, состоящее либо из ряда пузырьков различного диаметра, либо из пузырьков и нескольких дисковидных пластин, называемых диктиосомами. В процессе жизнедеятельности клетки пузырьки отделяются от аппарата Гольджи и транспортируют определенные вещества к различным органоидам клетки. Функции аппарата Гольджи в клетке до конца не изучены.

У бактерий аппарат Гольджи отсутствует

Вакуоли являются производными эндоплазматического ретикулума или аппарата Гольджи. В зависимости от происхождения вакуоли выполняют различные функции. В первом случае они являются местом локализации запасных веществ клетки, а во втором — ненужных продуктов обмена и токсических веществ, т. е. вакуоли принимают непосредственное участие в выделительной функции клетки. У бактерий вакуоли отсутствуют.

Прокариотическая клетка содержит различные запасные вещества в виде гранул или капель, которые расходуются клеткой в случае истощения питательной среды. Такими запасными веществами, прежде всего являются липиды, полифосфаты и полисахариды.             

Химический состав микроорганизмов

Вода составляет основную массу микробной клетки. Количество воды в микроорганизмах в среднем колеблется от 75 до 85%. Находящаяся в клетках вода может быть в свободном или в связанном с поверхностью макромолекул виде.

В биологических системах связанной называют воду, которая прочно связана с поверхностью макромолекул биополимеров. Свойства связанной воды значительно отличаются от свойств обычной воды, поэтому ее рассматривают как структурный элемент, а не как среду, в микроорганизмах обнаружено примерно 15...18% связанной воды. Большую часть находящейся в клетке воды составляет свободная вода, которая является реакционной средой и растворителем веществ.

Нормальное функционирование клетки, т. е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней имеется достаточное количество воды и если клетки погружены в водную среду с питательными веществами. Уменьшение содержания воды ведет к замедлению всех активных жизненных процессов клетки, т. е. к состоянию, которое называют анабиозом. Следовательно, вода — один из главных компонентов, с которым связана жизнедеятельность микробной клетки.

Сухие вещества в микробных клетках составляют в среднем 15...25%. Это органогены, входящие в состав органических веществ, и зольные элементы. Органические вещества представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами.

Среди органических веществ белки занимают первое место. Их количество составляет от 50 до 80% от сухого вещества клетки. Содержание белков зависит от вида микроорганизмов и состава питательной среды. Различают простые белки, или протеины, и сложные, или протеиды.

Протеиды представляют собой комплексы простых белков с небелковыми группами. При соединении с нуклеиновой кислотой образуются нуклеопротеиды, с полисахаридами — гликопротеиды, жироподобными веществами — липопротеиды.

В последнее время и простые и сложные белки называют протеинами.

Нуклеиновые кислоты играют большую роль в жизни клетки. Известны два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). ДНК находится обычно в ядре клетки, а РНК — в цитоплазме.

Углеводы представлены в клетке полисахаридами, которые в цитоплазме встречаются в виде зерен крахмала и гликогена. Они служат главным образом энергетическим материалом.

Липиды в клетке микроорганизмов распределены неравномерно. Содержание липидов в различных микроорганизмах колеблется от 3,8 до 40%. Липиды в основном входят в состав цитоплазматических мембран.

Минеральные вещества, представляющие собой золу после сжигания клеточной массы, составляют от 2 до 14% от сухой массы микроорганизмов. В таблице 1.1 приведен усредненный элементный состав клетки микроорганизмов.

Таблица 1.1 — Элементарный состав клетки микроорганизмов

Таким образом, основными элементами клеток являются углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера. На долю этих шести элементов приходится около 95% сухой биомассы клеток, а остаток составляют все другие элементы. Калий, натрий, кальций, магний и железо содержатся в сравнительно больших количествах и их называют макроэлементами в отличие от марганца, кобальта, меди, молибдена и цинка, которые содержатся в следовых количествах и называются микроэлементами [4].

2 Обмен веществ и питание микроорганизмов

Ничтожно малые по размеру микроорганизмы способны перерабатывать непропорционально большие количества различных веществ. Бактериальная клетка может потреблять за сутки количество пищи, превышающее в 30...40 раз её собственную массу. Объясняется это тем, что поступление питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности осуществляется всей поверхностью микробной клетки. В процессе жизнедеятельности клетки происходит интенсивный обмен веществ между клетками и внешней средой.

Обменом веществ или метаболизмом называют сумму целенаправленных реакций, протекающих в клетке под действием ферментов, которые обеспечивают обмен веществом и энергией между средой обитания и самой клеткой. Обмен веществ состоит из двух процессов:

1. получение необходимых для роста питательных веществ из окружающей среды и синтез из них структурных частей клетки (питание);

2. выделение в окружающую среду конечных продуктов.

Превращение любого питательного вещества у микроорганизмов проходит по одному из двух направлений: анаболизму или катаболизму. Анаболизм связан с построением новых биополимеров клетки из простых соединений и протекает с поглощением энергии макроэргических связей АТФ. Катаболизм представляет собой ферментное расщепление органических молекул с выделением энергии, которая запасается в виде макроэргических связей АТФ или некоторых других богатых энергией соединений.

Путь обмена веществ у микроорганизмов состоит из реакций, которые поставляют клеткам строительный материал, и реакций, которые обеспечивают все превращения в клетке, т. е. реакций, ответственных за конструктивный и энергетический обмены. Реакции протекают в строгой последовательности одна за другой, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для последующей. Чтобы расти, микроорганизм должен получать из окружающей среды все те вещества, которые необходимы  ему для синтеза структурных компонентов клетки и для получения энергии.             

В приближенном виде потребности микроорганизма в питательных веществах можно определить по химическому составу микробной клетки. Все элементы, входящие в состав клеточного вещества, должны находиться в питательной среде.

Среди элементов наибольшее биогенное (жизненно важное) значение имеет углерод. Он входит в состав всех органических соединений, образующихся в микробной клетке. Вступая во взаимодействие с кислородом, водородом, азотом и серой, углерод образует жизненно

важные соединения клетки: аминокислоты, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, жиры и т. д.

Вторым, не менее важным биогенным элементом, является азот. Он входит в состав аминокислот, белковых веществ, нуклеиновых кислот, которые самым активным образом участвуют в построении тела клетки, в процессах роста и размножения микроорганизма. Для питания микроорганизма важны и все остальные элементы: фосфор, сера, кислород, железо, калий и др. Без наличия хотя бы одного из указанных элементов рост будет незначительным или его совсем не будет.

По типам питания микроорганизмы можно разделить на несколько групп.

По источнику энергии все организмы делятся на фототрофы — организмы, способные использовать энергию света, и хемотрофы — организмы, которые нуждаются в химических источниках энергии.

По источнику углерода организмы делятся на автотрофы — организмы, использующие в качестве главного источника углерода диоксид углерода С02, и гетеротрофы — организмы, нуждающиеся в органических источниках углерода.

На основе этих критериев (признаков) все организмы делятся на четыре главные категории:

1. Фотоавтотрофы — используют свет в качестве источника энергии и СО2 в качестве основного источника углерода. К этой категории относятся фотосинтезирующие бактерии.

2. Фотогетеротрофы - используют свет в качестве источника энергии и органические вещества в качестве источника питания. К ним относятся пурпурные и зеленые бактерии.

3. Хемоавтотрофы — используют химический источник энергии и СО2 в качестве основного источника углерода.

4. Хемогетеротрофы — используют химический источник энергии и органическое вещество в качестве основного источника углерода. Следует отметить, что у этой группы организмов одно и то же органическое соединение может быть источником как энергии, так и углерода. К хемогетеротрофам относятся грибы и подавляющее большинство бактерий.

Многие микроорганизмы обладают значительной «гибкостью» в отношении питания, поэтому приведенная выше классификация требует для этих организмов уточнения. Организм, который не может переключаться на другой тип питания, называют облигатным, а организм, способный к переключению на иной тип питания, —факультативным [4].

3 Влияние внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов