ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРООРГАНИЗМОВ, ИХ ПИТАНИЕ, ДЫХАНИЕ

Химический состав

Микроорганизмы тесно связаны с внешней средой. Эта взаимосвязь осуществляется постоянным обменом веществ в процессе жизнедеятельности микробов. Изучение их морфологии и физиологии показало, что они по структуре и биохимическим процессам относятся к сложным организмам.

По химическому составу микробная клетка мало отличается от других живых клеток [2]. Она состоит из главных химических элементов — углерода, азота, кислорода, водорода, серы, из которых микроорганизмы синтезируют сложные органические соединения (белки, углеводы, липоиды, витамины и др.).

Вода. Клетки микроорганизмов содержат большое количество воды, составляющее по объему 75—85% цитоплазмы. Часть воды в живой клетке находится в свободном состоянии, остальная связана коллоидными веществами и входит в молекулы белков, жиров, углеводов. Свободная вода в теле микроба служит растворителем органических и минеральных соединений. Все питательные вещества поступают в клетку только с водой, и с ней удаляются продукты обмена.

Белки. Количество их зависит от возраста и вида микроба, а также от питательной среды. На белок приходится 50—80% сухого вещества клетки. В состав ее входят простые (протеины) и сложные белки (протеиды). По химическому составу протеины бактериальной клетки существенно не отличаются от протеинов животного и растительного происхождения. Белки в микробной клетке играют большую роль в росте и размножении, а также откладываются в виде запасных веществ.

Сложные белки состоят из простых белков и белковых компонентов. К ним относятся нуклеопротеиды, глюкопротеиды, липопротеиды, хромопротеиды.

Особое значение среди азотистых соединений бактериальной клетки имеют нуклеопротеиды, состоящие из белков и нуклеиновых кислот. В синтезе их основную роль играют рибонуклеиновые кислоты. Существует два типа бактериальных нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК включает четыре азотистых соединения (два пуриновых — аденин и гуанин и два пиримидиновых — цитозин и тимин), дезоксирибозу и фосфорную кислоту. РНК отличается от ДНК содержанием рибозы вместо дезоксирибозы и урацила вместо тимина.

Основной структурный элемент нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в которых строго определенным образом сочетаются между собой азотистое соединение, углевод и фосфорная кислота. Молекула нуклеиновых кислот состоит из десятков, сотен и тысяч нуклеотидов.

Углеводы. В теле бактерий они составляют от 10 до 30% сухого вещества. Основная масса их представлена полисахаридным комплексом в свободном или связанном состоянии с белками и липоидами. Полисахаридами особенно богаты капсульные бактерии — азотобактер и др. Из углеводов в состав цитоплазмы входят гликоген, декстрин, глюкоза и др. В клетках бактерий они используются для синтеза белков, жиров, а также служат энергетическим материалом.

Липиды. Под этим названием принято объединять жиры и близкие к ним жироподобные вещества (липоиды). Большая часть липидов находится в связанном состоянии с белками (липопротеиды) и другими веществами клетки, являясь основной частью цитоплазмы и клеточной оболочки. Свободные липоиды — запасные питательные вещества.

Минеральные вещества. Содержание минеральных (зольных) веществ у разных видов бактерий зависит от состава питательных сред и колеблется от 2 до 14% веса сухой микробной массы. В золе много фосфора, калия, магния, кальция, меньше серы, хлора, железа, меди и других элементов. Кроме того, в жизнедеятельности микроорганизмов определенную роль играют микроэлементы (цинк, молибден, кобальт, бор, марганец и др.).

Питание микроорганизмов

Для осуществления всех жизненных процессов микробной клетки (рост, формирование, размножение) необходимы определенные условия, и в первую очередь питательные вещества, из которых микроорганизмы синтезируют новые составные части своего тела. Из питательных веществ, отложенных в клетке, строятся ферменты, пигменты, токсины, витамины и другие соединения. Эту сторону жизнедеятельности организма и называют процессами питания и дыхания.

Источники питания, необходимые организму для роста (не считая источников энергии), можно подразделить на следующие группы: 1) источники основных элементов: С, Н, О и 14; 2) источники элементов, требующихся в меньшем количестве: Р, К, Б, 1ф*; 3) витамины и гормоны; 4) источники микроэлементов. Термин факторы роста используют для обозначения особенно важных источников питания, таких как аминокислоты, которые включаются целиком в структуру клетки.

Первоначально микроорганизмы культивировали на естественных средах, представляющих собой экстракты из растительного или животного материала; в качестве примеров можно назвать виноградный сок, молоко, кукурузный экстракт, пептон и сыворотку Часто подобные среды удобны, так как они содержат источники всех четырех групп питания, но все они обладают одним недостатком — неопределенностью состава и, следовательно, значительной вариабельностью. Чтобы изучать влияние источников питания, необходимо применять, насколько это возможно, химически определенные или синтетические среды. Минимальная среда содержит лишь источники питания, необходимые для роста. Богатая среда содержит, кроме необходимых для роста источников питания, дополнительные вещества, обычно в форме аминокислот, витаминов, предшественников нуклеиновых кислот и другие промежуточные вещества синтеза клеточных компонентой. Обогащение сред для культивирования приводит к увеличению скорости роста и изменению ферментного состава биомассы.

Микроорганизмы поглощают питательные вещества всей поверхностью тела путем диффузии или адсорбции. Интенсивность этих процессов зависит от разных условий, из которых особо важное значение имеет разница в осмотическом давлении микробной клетки и окружающей среды, а также от строения клетки и проницаемости плазменной оболочки.

Поступление питательных веществ в клетку возможно при условии растворения их в воде или липоидах. Те органические вещества, которые не растворяются в воде, предварительно переводятся в водорастворимые воздействием на них гидролитических ферментов, выделяемых микробной клеткой наружу.

Благодаря постоянному притоку воды в клетку ее коллоиды находятся в набухшем состоянии, в результате чего цитоплазма плотно прижата к оболочке. Такое постоянное напряжение клеточного содержимого называется тургором бактериальной клетки.

Когда бактерии помещают в концентрированный раствор какого-либо вещества, например 20%-ный раствор поваренной соли, наступает резкое обезвоживание бактериальной клетки, цитоплазма съеживается и отходит от клеточной оболочки. Это явление носит название плазмолиза. Плазмолиз из-за резкого нарушения нормальной структуры цитоплазмы приводит клетку к гибели. Свойством плазмолиза широко пользуются на практике для консервирования пищевых продуктов в крепких растворах поваренной соли или сахара.

По типу питания микроорганизмы делят на автотрофы и гетеро-трофы.

Автотрофы (греч. autos — сам, trophe — пища) способны синтезировать органические вещества из неорганических. Необходимый углерод они получают из углекислого газа (С0₂) или из карбонатов.

В зависимости от используемых источников энергии автотрофные бактерии разделяют на две подгруппы: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. К фотоавтотрофам принадлежат микроорганизмы, имеющие в цитоплазме особые пигменты (бактериопур-пурин, бактериохлорин), близкие по химическому составу к хлорофиллу зеленых растений, обеспечивающие аккумуляцию необходимой энергии.

Группа хемоавтотрофных бактерий открыта С.Н. Виноградским. Они способны получать энергию окислением только определенных минеральных соединений и использовать углерод для построения клеточных веществ лишь из углекислого газа.

К автотрофам относятся нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и ряд других микроорганизмов.

Гетеротрофы (греи, heteros — другой) в противоположность автотрофным организмам могут воспринимать углерод только из органических соединений (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты). К гетеротрофам относится большинство известных нам микробов.

Гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на метатрофы и паратрофы.

Метатрофы, или сапрофиты (греч. sapros — гнилой, phyton — растение), для ассимиляции углерода нуждаются в мертвых органических веществах. Такие гетеротрофные формы широко распространены и играют важную роль в разложении мертвых органических остатков в почве, сточных водах и т.д.

Паратрофы, или паразиты (греч. parasites), — микробы, вызывающие болезнь в организме тех существ, в тканях которых они живут. Болезнетворных микробов значительно меньше, чем сапрофитов.

В качестве источника углерода микроорганизмы чаще используют углеводы, многоатомные спирты, различные органические кислоты и их соли.

Источники азота для разных видов микроорганизмов могут быть самыми различными, начиная от молекулярного азота атмосферы для азотфиксирующих бактерий и кончая сложными белками животного и растительного происхождения. Метаболизм источника азота обеспечивает синтез белков, нуклеиновых кислот и полимеров клеточной стенки.

Кроме органогенов, микроорганизмам для их нормального развития нужны зольные элементы, хотя потребность в них и незначительна. К необходимым зольным элементам, входящим в состав ряда важнейших органических соединений микробной клетки, относятся сера, фосфор, калий, кальций, магний и др.

Большое значение в жизни организмов имеют микроэлементы — бор, молибден, цинк, марганец, кобальт, медь, йод, бром и др. Они участвуют в синтезе ферментов и активизируют их.

Дополнительные факторы роста. Значительная часть микробов самостоятельно синтезирует из питательных веществ белковые вещества, липоиды, нуклеиновые кислоты, витамины, углеводы и многие другие соединения. Однако среди отдельных гетеротрофов встречаются виды, неспособные окончательно образовывать те или иные компоненты, входящие в клеточное вещество. Такие вещества должны быть представлены им в готовом виде. Особенно часто бактерии испытывают недостаток в аминокислотах, витаминах и других дополнительных факторах роста. Для нормальной биохимической активности большинства микроорганизмов наиболее важное значение имеют витамины: В, — тиамин, В, — рибофлавин, пантоте-новая кислота, холин, РР — никотиновая кислота, В₆ — пиридоксин, Н — биотин, инозит, фолиевая кислота, В_р — кобаламин, витамин К и др.

Термин витамины используется здесь для обозначения факторов роста, отличных от аминокислот. Витамины разбивают на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. В жирорастворимую группу входят витамины А, Э, Е, К, убихинон, холестерин и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линоленовая, линолевая, арахидоновая). Жирные кислоты удобно вносить в среду в форме водорастворимых эфиров (твиновые соединения). Холестерин необходим для многих микоплазм.

К водорастворимым витаминам относятся: аскорбиновая кислота, тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, пиридоксин, никотиновая кислота, биотин, (3-аминобензойная кислота, фолиевая кислота, кобаламин, мевалоновая кислота, холин и мезо-инозит. Все водорастворимые витамины, за исключением аскорбиновой кислоты, как было обнаружено, являются факторами роста для ряда микроорганизмов и клеток тканей животных в культуре. Большинство водорастворимых витаминов — компоненты кофер-ментов.

Витамины выполняют в цитоплазме клетки функции катализаторов, поэтому потребность в них весьма незначительная.

Дыхание микроорганизмов

Дыхание — совокупность биохимических окислительно-восстановительных процессов, сопровождающихся выделением тепловой энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности микробов.

Биологическое окисление одного вещества происходит за счет восстановления другого. При этом окисляемое вещество теряет электроны и освобождает энергию, необходимую для клетки. Отдача электрона ведет к окислению, присоединение — к восстановлению. Окислительно-восстановительные процессы цитоплазмы живой клетки осуществляются при помощи различных ферментных систем, активизирующих как окисляемые субстраты, так и молекулярный кислород. Среди окислительно-восстановительных ферментов различают дегидразы, оксидазы, пероксидазы. Большинство микробов нормально развивается в присутствии свободного кислорода.

Л. Пастер в 1861 г. впервые обнаружил, что отдельные микроорганизмы способны размножаться без доступа атмосферного кислорода. Энергию они получают в процессе брожения (освобождение энергии без участия кислорода).

Исходя из этого, по типу дыхания микроорганизмы разделены на две основные группы.

Аэробы — использующие молекулярный кислород для своей жизнедеятельности. Хорошо развиваются на поверхности субстратов при доступе воздуха.

Анаэробы — живут только при отсутствии кислорода в воздухе.

Промежуточное положение между аэробами и анаэробами занимает третья группа, так называемые факультативные анаэробы, способные развиваться как в кислородных, так и в бескислородных условиях. В эту группу входит большинство сапрофитных и патогенных микробов.

Факультативные анаэробные бактерии содержат в цитоплазме набор ферментов, благодаря чему они могут полностью окислять субстраты до углекислого газа и воды или же получать необходимую им энергию в процессе брожения.

Аэробные бактерии могут полностью окислять различные органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические кислоты). При таком окислении грамм-молекулы глюкозы освобождается 2825 кДж тепла. Это соответствует количеству энергии, которое было аккумулировано в молекуле сахара при фотосинтезе его из углекислого газа и воды в зеленых растениях.

Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от окисляемого источника углерода и от физиологических свойств и активности роста микроорганизмов (рис. 1.3, табл. 1.1). Для биосинтеза 1 кг дрожжевой биомассы необходимо, например, 0,74—2,6 кг молекулярного кислорода. При интенсивном потреблении субстрата продуцент ассимилирует независимо от источника углерода 0,83—4,00 мг кислорода на 1 л среды в минуту.

Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов. При давлении 0,1 МПа (1 кгс/см²) и температуре 30 °С в 1 л дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,5 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода 2—5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5—2 мин. го

О

и

• 2
• ?

х

X

о,

<о

X

X

?

х

сч

о. I о 1=1 о 3 X

со

л н о о

X ю о О. н о

с

• 1 -
• 1,00
• 1,83 1,84
• 0,74
• 1,60
• 1,64

<и

3 -

I X А о о* X XXX О 5-0.

а ^ я

N0 х о.

СО ^ X

о ^с 2

Рис. 1.3. Потребность микроорганизмов в кислороде на образование 1 г биомассы в зависимости от источника углерода

Таблица 7.7

Зависимость абсорбции кислорода в воде (мг/л) от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов при температуре 20 °С

Анаэробы используют в качестве субстрата углеводы и некоторые органические кислоты. Среди конечных продуктов брожения всегда образуются продукты неполного окисления веществ, при этом энергии выделяется во много раз меньше, чем при дыхании. Так,

при брожении одной грамм-молекулы глюкозы выделяется в 25 раз меньше энергии, чем при аэробном дыхании. Типы брожения получают наименование по названию конечных или исходных продуктов (спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др.)

Между анаэробным и аэробным дыханием нет резкой грани. Например, дрожжи в анаэробных условиях расщепляют сахара с образованием спирта и углекислого газа, а при повышенном воздухообмене разлагают глюкозу до воды и С0₂. Молочнокислое брожение — процесс анаэробный, однако молочнокислые бактерии хорошо развиваются и в присутствии кислорода воздуха.

Процессы дыхания у бактерий очень сложные. Они представляют собой длинную цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций с участием многих ферментативных систем. В ходе этих процессов расщепления образуются многочисленные продукты, связанные с постепенной перестройкой молекулы окисляемого субстрата [14].

Химизм дыхания. Начальная фаза превращения сахара одинакова как при анаэробном (брожение), так и при аэробном (дыхание) процессе. Через ряд последовательных превращений при распаде молекулы глюкозы (С₆Н_|20₆) образуется пировиноградная кислота (СН₃СОСООН), после чего дальнейшие преобразования идут разными путями в зависимости от наличия ферментов и внешних условий.

Весь цикл расщепления гексозы (сахара) до пировиноградной кислоты называется гликолизом. В результате превращений сахара в первой фазе дыхания в митохондриях клеток образуется АТФ (аде-нозинтрифосфорная кислота), в которой накапливается энергия. Эта кислота представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пентозы — рибозы и трех молекул фосфорной кислоты (ЗН₃Р0₄). АТФ — неустойчивое соединение. Связь между Р и О легко нарушается, и к освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды. При этом отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты освобождается почти 42 кДж.

Вторая фаза дыхания — аэробная и начинается с превращения пировиноградной кислоты до С0₂ и Н₂0. Это превращение связано с образованием ряда органических кислот (уксусной, щавелевоуксусной, лимонной, щавелевоянтарной и др.).

В результате постепенного образования органических кислот весь углерод пировиноградной кислоты окисляется. Этот цикл окисления пировиноградной кислоты получил название цикла Кребса.

При окислении молекулы глюкозы до С0₂ и Н₂0 образуется 38 молекул АТФ (2 в первую и 36 во вторую фазу дыхания), т.е. накапливается около 1257 кДж.

Выделение энергии при дыхании значительно превышает количество, фактически используемое микроорганизмами на их жизненные процессы. Многие виды микробов потребляют не более 10—25% выделяющейся энергии. Значительная часть энергии, образовавшейся в результате окислительных процессов (75% и больше), выделяется в окружающую среду в виде тепла. Этим объясняется самонагревание навоза, сена, зерна, когда в них развиваются различные микроорганизмы. Самонагревание используется в парниковых грядах для выращивания овощей, обезвреживания навоза от болезнетворных микробов и т.д.