микробиология. Классификация микроорганизмов по типу питания 3 1 Автотрофы 3
 Скачать 50.65 Kb.
|
ГЛАВА 2. СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ ПО ТИПУ ПИТАНИЯНа сегодняшний день питания считается одним из основных факторов поддержания нормальной жизнедеятельности микроорганизмов и вследствие этого огромный интерес представляет изучение и исследование типов питания микроорганизмов. Большое количество живых существ, в том числе микроорганизмы нуждаются в питании. Пища поступает в содержимое клетки из внешней среды. Пищей обычно называются вещества, которые, попав в живой организм, служат либо источником энергии для процессов жизнедеятельности, либо материалом для построения составных частей клетки. Следует подчеркнуть, что питание является жизненно необходимом процессом для любого организма. В результате данной процедуры клеточные организмы получают энергию, строительный материал для роста организма, а также биологически активные вещества. Благодаря питанию можно восполнять запасы энергии и необходимыми веществами, которые тратятся в процессе жизнедеятельности. Все типы питания, известные современной науке, присутствуют у микроорганизмов [1]. Для полноценной работы жизнедеятельности бактерий необходимы определенные химические вещества, такие как калий, азот, сера, фосфор и прочие. Из этого можно сделать вывод о том, что тема питания бактерий в микробиологии крайне актуальна [2]. Существует несколько классификаций, разделяющиеся по типу питания бактерий. В таблице 1 представлена классификация микроорганизмов по типу питания. Микроорганизмы также нуждаются в дополнительных компонентах в целях дальнейшего роста на питательных средах. Данные компоненты называют факторами роста. Соединения, которые относятся к факторам роста: - витамины, которые входят в состав отдельных ферментов; - аминокислоты, применяющие в построении белков; - пурины и пиримиды, создающие нуклеиновые кислоты [5]. Таблица 1 – Классификация микроорганизмов по типу питания [7]
Источник: составлено автором на основании [3] В зависимости от того, как микроорганизмы относятся к факторам роста, они делятся на прототрофы (синтезируют нужные элементы для роста самостоятельно, а также они способны создавать соединения из солей глюкозы и аммония) и ауксотрофы (нуждаются в одном или нескольких факторах роста) [4]. Рассмотрим теперь механизм питания бактерий. Существует большое количество факторов, которые обуславливают поступление веществ в бактериальную клетку, перечислим их: - растворимость молекул в липидах или в воде; - все возможные факторы, оказывающие влияние на проницаемость мембран (цитоплазматическая мембрана является основным регулятором поступления в клетку различных соединения); концентрация веществ; pH среда. Существует 4 основных механизма поступления веществ в клетку: - простая диффузия: вещества начинают двигаться за счет того, что существует разница концентраций по разным сторонам цитоплазматической мембраны (далее ЦМП). В результате данного транспорта не происходят затраты энергии. Органические молекулы и медицинские препараты в большинстве случаев проходят через липидный слой ЦМП. - облегченная диффузия: в данном варианте вещества двигаются за счет разницы концентраций по разным сторонам ЦМП. Такое движение осуществляется в единичном случае при условии, если присутствуют специфические молекулы-переносчики, находящиеся в ЦМП. Каждый такой переносчик может перемещать через мембрану конкретное вещество. - активный транспорт: производится при участии пермеаз – в направлении от веществ с наименьшей концентрацией к веществам с большей. В результате данной реакции расходуется АТФ, которая возникает в процессе окислительно-восстановительных процессов в клетке. - транслокация (перенос групп): данный процесс схож с предыдущим, но присутствует отличие, и оно заключается в результате переноса, молекула видоизменяется. Выход веществ из клетки осуществляется в результате диффузии с участием транспортных систем [12]. Можно сделать заключение о том, что главной составляющей питания микроорганизмов считаются витамины, которые в различном составе и концентрации имеются в каждой микробной клетке. Они нужны для полноценной жизнедеятельности, например, некоторые витамины входят в состав простатических групп ферментов, но потребность микроорганизмов в них отличается, следует отметить, что существуют микроорганизмы, которым необходимы сразу готовые витамины, но также присутствуют другие микроорганизмы, которые способны синтезировать нужные для жизнедеятельности витамины самостоятельно. Каждая живая клетка нуждается в постоянном притоке энергии - эту энергию она получает в процессе обмена веществ. Обменом веществ (метаболизмом) называют совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке в процессе ее жизнедеятельности. Метаболизм осуществляется в двух основных направлениях. Одно из них - строительный обмен. Он необходим живой клетке для биосинтетической деятельности, т. е. для построения клетки, замены изношенных частей, роста и размножения. Необходимый строительный материал клетка получает в виде пищи, поступающей извне. Питательные вещества проникают в микробную клетку двумя путями. Первый - это осмос (диффузия) питательных веществ, из внешней среды, где концентрация их выше, чем в клетке. Движущей силой при этом является разность осмотических давлений между клеткой и внешней средой. Второй путь - это активный перенос питательных веществ в клетку с помощью особых ферментов. В обоих случаях питательные вещества проникают через клеточную мембрану в цитоплазму клетки. Процесс питания является важнейшей физиологической функцией микробной клетки. Сущность процесса питания состоит в том, что под действием ферментов клетки высокомолекулярные органические соединения расщепляются до низкомолекулярных: сахаров, аминокислот, органических кислот, а из них синтезируются вещества самой клетки микроорганизма: цитоплазма, клеточная стенка, нуклеиновые кислоты и др [10]. Кроме питательных веществ для строительной биосинтетической деятельности клетка нуждается в энергии. Поэтому второй стороной обмена веществ микроорганизмов является энергетический обмен, т. е. обеспечение клетки энергией. Энергию микроорганизмы получают окислением органических веществ (углеводов, жиров и других энергетических материалов) в процессе дыхания - очень важной физиологической функции. У разных организмов процесс дыхания протекает по-разному в зависимости от их отношения к кислороду. Так, аэробы используют газообразный кислород и получают энергию путем окисления органических веществ (дыхания). Это возможно благодаря наличию в клетках аэробов определенных ферментов - цитохромов. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, и процесс получения энергии протекает без участия кислорода. По отношению к кислороду анаэробы делятся на три группы. Строгие анаэробы (например, масляно-кислые бактерии) вообще не могут жить в присутствии кислорода. Они получают энергию сопряженным окислением - восстановлением субстрата (например, процессы брожения). Факультативные анаэробы (не строгие) в присутствии кислорода используют его для окислительных процессов (для дыхания), а в его отсутствие получают энергию без участия кислорода (дрожжи) [8]. Окислительные процессы анаэробов заключаются в отнятии водорода от окисляемого соединения (дегидрирование). Водород присоединяется к другим веществам (акцепторам водорода). Такой процесс бескислородного дыхания называют брожением. Энергетическим материалом для брожения служат вещества с большим запасом энергии. Таким образом, питательные вещества расходуются клеткой в двух направлениях: для синтеза веществ тела и для обеспечения организма энергией. Процессы питания и дыхания тесно связаны и осуществляются клеткой одновременно. Они обеспечивают все жизненные функции клетки. Образующиеся при этом продукты обмена выделяются из клетки во внешнюю среду. По типу питания микробы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы [6]. Автотрофы - микроорганизмы, которые синтезируют вещества своего тела из неорганических элементов. Пути для этого синтеза могут быть разными. Одни микроорганизмы, например пурпурные серобактерии, подобно зеленым растениям, используют фотосинтез, но роль хлорофилла выполняют у них другие вещества. Другие энергию для этих синтетических процессов получают в ходе окислительно-восстановительных реакций. При этом донорами электронов служат неорганические вещества, а источником углерода - углекислый газ [4]. Гетеротрофы - это микроорганизмы, которые нуждаются в готовых органических соединениях, используя в качестве источников углерода углеводы, спирты и органические кислоты, а источников азота - белки и продукты их распада. Подавляющее большинство бактерий, дрожжей и плесневых грибов является гетеротрофами [4]. Разновидностью этого типа питания являются сапрофиты, которые разлагают органические остатки животного и растительного происхождения и используют их для построения веществ своей клетки и для получения энергии. Эти микроорганизмы разлагают органические вещества в почве и воде. Попадая на пищевые продукты, они вызывают их порчу. Другой разновидностью гетеротрофного типа питания являются паразиты - это микробы, которые используют готовые органические вещества тела хозяина и могут размножаться только в его живых клетках. Микробы-паразиты вызывают заболевания человека, животных и растений и называются болезнетворными (патогенными). Питательные среды являются основой микробиологической работы, и их качество нередко определяет результаты всего исследования. Среды должны создавать оптимальные (наилучшие) условия для жизнедеятельности микробов. Среды должны соответствовать следующим требованиям: 1) быть питательными, т. е. содержать в легко усвояемом виде все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических потребностей. Ими являются источники органогенов и минеральных (неорганических) веществ, включая микроэлементы. Минеральные вещества не только входят в структуру клетки и активизируют ферменты, но и определяют физико-химические свойства сред (осмотическое давление, рН и др.). При культивировании ряда микроорганизмов в среды вносят факторы роста - витамины, некоторые аминокислоты, которые клетка не может синтезировать; 2) иметь оптимальную концентрацию водородных ионов - рН, так как только при оптимальной реакции среды, влияющей на проницаемость оболочки, микроорганизмы могут усваивать питательные вещества. Для большинства патогенных бактерий оптимальна слабощелочная среда (рН 7,2-7,4). Исключение составляют холерный вибрион - его оптимум находится в щелочной зоне (рН 8,5-9,0) и возбудитель туберкулеза, нуждающийся в слабокислой реакции (рН 6,2-6,8).Чтобы во время роста микроорганизмов кислые или щелочные продукты их жизнедеятельности не изменили рН, среды должны обладать буферностью, т. е. содержать вещества, нейтрализующие продукты обмена; 3) быть изотоническими для микробной клетки; т. е. осмотическое давление в среде должно быть таким же, как внутри клетки. Для большинства микроорганизмов оптимальна среда, соответствующая 0,5% раствору натрия хлорида; 4) быть стерильными, так как посторонние микробы препятствуют росту изучаемого микроба, определению его свойств и изменяют свойства среды (состав, рН и др.); 5) плотные среды должны быть влажными и иметь оптимальную для микроорганизмов консистенцию; 6) обладать определенным окислительно-восстановительным потенциалом, т. е. соотношением веществ, отдающих и принимающих электроны, выражаемым индексом RH2. Этот потенциал показывает насыщение среды кислородом. Для одних микроорганизмов нужен высокий потенциал, для других - низкий. Например, анаэробы размножаются при RH2 не выше 5, а аэробы - при RH2 не ниже 10. Окислительно-восстановительный потенциал большинства сред удовлетворяет требованиям к нему аэробов и факультативных анаэробов; 7) быть по возможности унифицированным, т. е. содержать постоянные количества отдельных ингредиентов. Так, среды для культивирования большинства патогенных бактерий должны содержать 0,8-1,2 г/л амидного азота NH2, т. е. суммарного азота аминогрупп аминокислот и низших полипептидов; 2,5-3,0 г/л общего азота N; 0,5% хлоридов в пересчете на натрия хлорид; 1% пептона. Желательно, чтобы среды были прозрачными - удобнее следить за ростом культур, легче заметить загрязнение среды посторонними микроорганизмами. Потребность в питательных веществах и свойствах среды у разных видов микроорганизмов неодинакова. Это исключает возможность создания универсальной среды. Кроме того, на выбор той или иной среды влияют цели исследования. В настоящее время предложено огромное количество сред, в основу классификации которых положены следующие признаки. 1) Исходные компоненты. По исходным компонентам различают натуральные и синтетические среды. Натуральные среды готовят из продуктов животного и растительного происхождения. В настоящее; время разработаны среды, в которых ценные пищевые продукты (мясо и др.) заменены непищевыми: костной и рыбной мукой, кормовыми дрожжами, сгустками крови и др. Несмотря на то, что состав питательных сред из натуральных продуктов очень сложен и меняется в зависимости от исходного сырья, эти среды нашли широкое применение. Синтетические среды готовят из определенных химически чистых органических и неорганических соединений, взятых в точно указанных концентрациях и растворенных в дважды дистиллированной воде. Важное преимущество этих сред в том, что состав их постоянен (известно, сколько и какие вещества в них входят), поэтому эти среды легко воспроизводимы. 2) Консистенция (степень плотности). Среды бывают жидкие, плотные и полужидкие. Плотные и полужидкие среды готовят из жидких, к которым для получения среды нужной консистенции прибавляют обычно агар-агар или желатин. Агар-агар - полисахарид, получаемый из определенных сортов морских водорослей. Он не является для микроорганизмов питательным веществом и служит только для уплотнения среды. В воде агар плавится при 80-100°С, застывает при 40-45° С. Желатин - белок животного происхождения. При 25-30° С желатиновые среды плавятся, поэтому культуры на них обычно выращивают при комнатной температуре. Плотность этих сред при рН ниже 6,0 и выше 7,0 уменьшается, и они плохо застывают. Некоторые микроорганизмы используют желатин как питательное вещество - при их росте среда разжижается. Кроме того, в качестве плотных сред применяют свернутую сыворотку крови, свернутые яйца, картофель, среды с селикагелем. 3) Состав. Среды делят на простые и сложные. К первым относят мясопептонный бульон (МПБ), мясопептонный агар (МПА), бульон и агар Хоттингера, питательный желатин и пептонную воду. Сложные среды готовят, прибавляя к простым средам кровь, сыворотку, углеводы и другие вещества, необходимые для размножения того или иного микроорганизма. 4) Назначение: основные (общеупотребительные) среды служат для культивирования большинства патогенных микробов. Это вышеупомянутые МПА, МПБ, бульон и агар Хоттингера, пептонная вода; специальные среды служат для выделения и выращивания микроорганизмов, не растущих на простых средах. Например, для культивирования стрептококка к средам прибавляют сахар, для пневмо- и менингококков - сыворотку крови, для возбудителя коклюша - кровь; элективные (избирательные) среды служат для выделения определенного вида микробов, росту которых они благоприятствуют, задерживая или подавляя рост сопутствующих микроорганизмов. Так, соли желчных кислот, подавляя рост кишечной палочки, делают среду элективной для возбудителя брюшного тифа. Среды становятся элективными при добавлении к ним определенных антибиотиков, солей, изменении рН. Жидкие элективные среды называют средами накопления. Примером такой среды служит пептонная вода с рН 8,0. При таком рН на ней активно размножается холерный вибрион, а другие микроорганизмы не растут; дифференциально-диагностические среды позволяют отличить (дифференцировать) один вид микробов от другого по ферментативной активности, например среды Гисса с углеводами и индикатором. При росте микроорганизмов, расщепляющих углеводы, изменяется цвет среды; консервирующие среды предназначены для первичного посева и транспортировки исследуемого материала; в них предотвращается отмирание патогенных микроорганизмов и подавляется развитие сапрофитов. Пример такой среды - глицериновая смесь, используемая для сбора испражнений при исследованиях, проводимых с целью обнаружения ряда кишечных бактерий. Питательные среды — субстраты, используемые в лабораторной практике для выращивания микроорганизмов и других биологических объектов. Рост микроорганизмов зависит от наличия в питательной среде достаточного количества органических и неорганических веществ в виде различных солей, витаминов и др. Питательные среды должны обладать также оптимальными физико-химическими свойствами: рН, вязкостью, влажностью, осмотическими свойствами. Наиболее часто в качестве органического компонента питательных сред применяют продукты частичного расщепления белков — пептоны или различные мясные настои и экстракты. Эти компоненты используют при изготовлении многих так называемых обычных питательных сред, чаще всего применяемых для выращивания микробных культур, а также являющихся основой более сложных питательных сред. К числу обычных питательных сред относится мясо-пептонный бульон и бульон Хоттингера. В зависимости от вида культивируемого микроорганизма общие питательные среды содержат добавки различных бактериальных факторов роста. В одних случаях это могут быть чистые витамины, аминокислоты, в других — экстракты всевозможных натуральных субстратов. Так, например, для выращивания возбудителей бруцеллеза используются добавки перевара ткани печени, а возбудитель коклюша культивируют на средах, содержащих кровь. К специальным питательным средам относятся среды, применяемые при необходимости избирательного выявления в исследуемом материале какого-либо вида микроорганизма или его отдельного биохимического или физиологического свойства. К числу специальных питательных сред относятся следующие: Элективные, или избирательные, и обогатительные среды. В таких средах созданы благоприятные условия для развития какого-нибудь одного вида микроорганизма, размножение всех остальных видов микробов угнетается. Для этого к среде добавляют либо питательные вещества, которые может использовать только изучаемый микроб, либо различные факторы угнетения, к которым этот микроб нечувствителен. Этот тип питательных сред используется для выделения и установления природы микроорганизмов, присутствующих в исследуемом материале в очень небольшом количестве по сравнению с другими формами. Примерами избирательных сред являются среды, содержащие желчь или соли желчных кислот и бриллиантовую зелень, а также среды, содержащие селенит, которые применяются для выделения патогенных кишечных бактерий. На этих средах подавляется рост кишечной палочки. Для первичных посевов возбудителей дифтерии используют свернутую лошадиную сыворотку, на которой все другие виды микробов растут значительно медленнее. Дифференциально-диагностические среды. Эти питательные среды применяются для идентификации бактериальных культур. Использование дифференциально-диагностических питательных сред основано на том, что при росте на них бактерий происходят химические изменения компонентов среды, которые легко можно наблюдать. В качестве изменяющегося компонента дифференциально-диагностических питательных сред чаще всего применяются различные белковые вещества, сахара и многоатомные спирты, в результате расщепления которых микробами изменяется реакция среды, что учитывается по изменению окраски добавленных к среде индикаторов, появлению пузырьков газа и так далее. Примерами широко используемых дифференциально-диагностических питательных сред могут служить среды так называемого пестрого ряда, применяемые для выяснения способности микробов сбраживать различные сахара (среды Гисса и др.). Синтетические питательные среды применяются в тех случаях, когда требуется изучить биохимические свойства микроорганизмов, например потребности в тех или иных факторах роста, а также при необходимости выращивать микробы в строго контролируемых условиях. Обязательными компонентами синтетических питательных сред являются неорганические соли, источники углеводов и азота (как правило, глюкоза и аммонийные соли). Особенностью синтетических питательных сред является то, что всегда известен химический состав среды, который можно изменять в соответствии с целями исследования. При изготовлении синтетических питательных сред следует соблюдать ряд предосторожностей во избежание их загрязнения следовыми количествами посторонних веществ. Так, например, следует использовать только химически чистые вещества, посуду и дистиллированную воду. В качестве примера синтетических питательных сред можно привести глюкозо-солевые среды с добавками различных аминокислот, применяющиеся для выращивания микробов кишечной группы, и среду Модели, содержащую в качестве источника азота аммонийные соли органических кислот, на которой культивируют туберкулезные бактерии. | ||||||||||||