1.6.6. Энергетический метаболизм хемоорганотрофов, использующих
процесс дыхания
Большинство гетеротрофных организмов получают энергию в процессе дыхания — биологического окисления сложных органических субстратов, являющихся донорами водорода. Водород от окисляемого вещества поступает в дыхательную цепь ферментов. Дыхание называют аэробным, если роль конечного акцептора водорода выполняет свободный кислород.
Микроорганизмы, способные существовать только в присутствии кислорода, называются облигатными аэробами.
В качестве источников энергии — доноров водорода — хемоорганогетеротрофы в процессе дыхания могут использовать разнообразные окисляемые органические соединения: углеводы, жиры,
88 белки, спирты, органические кислоты и т.д. Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов выражается следующим уравнением:
C
6
H
2
O
6
+ 6 O
2
6CO
2
+ 6Н
2
О + 2820 кДж
На рис. 6.5 приведена схема процесса аэробного дыхания за счет углеводов.
Начальная стадия превращения углеводов вплоть до образования ПВК полностью идентична ферментативным реакциям окисления углеводов в процессе брожения (см. раздел 1.6.5.).
В клетках аэробов ПВК может быть окислена полностью в результате ряда последовательных реакций. Совокупность этих превращений составляет цикл, именуемый циклом Кребса или циклом ди- и трикарбоновых кислот
(ЦТК). ПВК включается в цикл через промежуточное соединение ацетил-
КоА, который образуется в результате взаимодействия ПВК с HSKoA по реакции (6.6). Последовательно протекающие реакции цикла: гидролиз, дегидрирование, дегидратация, декарбоксилирование — приводят к полному окислению ацетил-КоА и регенерации фермента HSKoA.
Водород, отнятый дегидрогеназами в цикле, передается в дыхательную цепь ферментов, которая у аэробов кроме НАД включает ФАД, систему цитохромов и конечный акцептор водорода — кислород. Передача водорода по этой цепи сопровождается образованием АТФ.
Первый этап фосфорилирования связан с передачей водорода от первичной дегидрогеназы на ФАД. Второе фосфорилирование происходит при переходе электрона с цитохрома b на цитохром с (см. рис. 5.5), третье — при передаче электрона кислороду. Таким образом, на каждые два атома водорода (электрона), поступивших в дыхательную цепь, синтезируется три молекулы АТФ.
89
Рис. 6.5. Схема окисления углеводородов в процессе аэробного дыхания
90
Образование АТФ одновременно с процессом переноса протона и электрона по дыхательной цепи ферментов называется окислительным
фосфорилированием. В некоторых случаях электрон включается в дыхательную цепь на уровне ФАД или даже цитохромов. При этом соответственно уменьшается количество синтезируемых молекул АТФ.
Суммарный энергетический итог процесса окисления 1 моля глюкозы составляет 38 молекул АТФ, из них 24 — при окислении ПВК в цикле Кребса с передачей водорода в дыхательную цепь ферментов. Таким образом, основное количество энергии запасается именно на этой стадии.
Замечательно то, что цикл Кребса универсален, т. е. характерен и для простейших, и для бактерий, и для клеток высших животных и растений.
Промежуточные соединения цикла частично используются для синтеза клеточного вещества.
Окисление питательных веществ не всегда идет до конца. Некоторые аэробы окисляют органические соединения частично, при этом в среде накапливаются промежуточные продукты окисления.
Некоторые микроорганизмы в процессе дыхания в качестве конечного акцептора водорода используют не кислород, а окисленные соединения азота
(нитриты, нитраты), хлора (хлораты и перхлораты), серы (сульфаты, сульфиты, тиосульфаты), углерода (СO
2
), хрома (хроматы и бихроматы).
Такой тип дыхания называется анаэробным.
91
Микроорганизмы, осуществляющие процесс дыхания за счет окисленных соединений азота и хлора, относятся к факультативным анаэробам. Они имеют две ферментные системы, позволяющие им переключаться с аэробного дыхания на анаэробное и наоборот в зависимости от присутствия в среде того или иного конечного акцептора. Например, дыхательную цепь ферментов у микроорганизмов, использующих нитраты, можно представить следующей схемой.
Если в среде одновременно присутствуют нитраты и молекулярный кислород, то в первую очередь будет использоваться акцептор, позволяющий получить большее количество энергии. Аэробное дыхание сопровождается тремя фосфорилированиями, анаэробное — двумя. Тем не менее, если концентрация кислорода в среде невелика, а концентрация нитратов намного превышает ее, микроорганизмы используют нитраты. Решающим условием в этом случае является свободная энергия реакции восстановления акцептора, которая зависит от его концентрации. Анаэробное дыхание за счет нитратов называется
денитрификацией. Окисленные соединения серы, хрома, углерода играют роль
конечных акцепторов для разных видов микроорганизмов, относящихся к облигатным анаэробам.
У сульфатредуцирующих микроорганизмов обнаружена цепь переноса электронов, включающая несколько ферментов, но последовательность их действия остается неясной. При потреблении сульфатов в качестве конечного акцептора водорода микроорганизмы восстанавливают их до сульфидов:
(органическое вещество—донор водорода)-)
SО
2
Н
2
S
Н
2
О
Анаэробное дыхание с использованием диоксида углерода сопровождается образованием метана.
Согласно современным представлениям восстановление СО
2
до метана проходит через ряд последовательных стадий:
92
Промежуточные продукты остаются связанными с переносчиком X, природа которого неизвестна.
1.6.7. Энергетический метаболизм хемолитоавтотрофов
Окисление восстановленных минеральных соединений азота, серы, железа служит источником энергии для хемолитотрофных микроорганизмов.
Деление хемолитотрофных микроорганизмов на группы основано на специфичности каждой группы по отношению к окисляемому соединению.
Различают нитрифицирующие бактерии, железобактерии, бактерии, окисляющие соединения серы.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммонийный азот до нитратов.
Процесс называется нитрификацией и идет в две фазы, за каждую из которых ответственны свои возбудители (смотри раздел 2.2.4.):
NH
3
+2О
2
NО
2
+ 2H
2
O + 557 кДж/моль (6.7)
2NО
2
+ 4 О
2
2HNО
3
+ 146 кДж/моль (6.8)
Окисление аммиака до нитритов с передачей электронов в дыхательную цепь служит энергетическим процессом для группы нитрозобактерий.
Окисление аммонийного азота — многостадийный процесс, при котором в качестве промежуточных продуктов образуются гидроксиламин (NН
2
ОН) и гипонитрит (NOH). Энергетическим субстратом, окисляемым в дыхательной цепи, служит гидроксиламин.
Электроны включаются в дыхательную цепь на уровне ФАД, и перенос их по цепи цитохромов сопряжен с двумя фосфорилированиями.
Электронотранспортная цепь у нитробактерий, осуществляющих реакцию (6.8), короче, чем у нитрозобактерий. Электроны включаются в дыхательную цепь на уровне цитохромов, поэтому их перенос по цепи ферментов сопровождается только одним фосфорилированием. Механизм второй фазы процесса нитрификации предположительно описывается следующими реакциями:
93
Эффективность использования энергии нитрифицирующими бактериями невелика и составляет 5% для реакции (6.7) и 7% для реакции
(6.8). Вследствие этого для усвоения 1 моля диоксида углерода им необходимо окислять соответственно 35 молей аммиака и 101 моль азотистой кислоты.
Железобактерии (хемолитоавтотрофы) не представляют собой единой таксономической единицы. Этим термином объединяют микроорганизмы, окисляющие восстановленные соединения железа для получения энергии:
4 FеСО
3
+ 0 2
+ 6 Н
2 0
4 Fе(ОН)
3
+ 4С0 2
+ 167 кДж/моль (6.9)
В транспорте электронов от двухвалентного железа к кислороду принимают участие хиноны и цитохромы. Перенос электронов сопряжен фосфорилированием.
Эффективность использования энергии у этих бактерий настолько мала, что для синтеза 1 г клеточного вещества им приходится окислять около 500 г углекислого железа.
Бактерии, окисляющие соединения серы и способные к автотрофной ассимиляции СО
2
, относятся к группе тионовых бактерий. Энергию для конструктивного метаболизма тионовые бактерии получают в результате окисления сульфидов, молекулярной серы, тиосульфатов и сульфитов до сульфатов:
S
o
+ 2 O
2
SO
2
+ 794 кДж/моль (6.10)
S° + H
2
O + 1,50 2
H
2
S0 4
+ 585 кДж/моль (6.11)
SO
2
+ H
2
O + 2 O
2
2SO
4 2-
+ 2H
+
+ 936 кДж/моль (6.12)
SO
2
+ 0,5 O
2
5SO
3
+ 251 кДж/моль (6.13)
Дыхательная цепь тионовых бактерий содержит флавопротеиды, убихиноны, цитохромы.
94
Механизм ассимиляции СО
2
в конструктивных целях у всех хемолитоавтотрофов сходен с таковым у фотосинтезирующих автотрофов, использующих в качестве донора водорода воду. Основное отличие состоит в том, что в процессе хемосинтеза кислород не выделяется.
1.7. РОСТ И РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
1.7.1 . Общие представления о росте и развитии микроорганизмов
Рост микробиальной клетки — это увеличение размера и массы одной особи между двумя делениями. В результате обменных процессов с окружающей средой и внутриклеточного метаболизма происходит рост и развитие организма — обновление клеточного вещества и по мере старения клетки — изменение ее химического состава, например, уменьшение содержания воды. Конечная цель развития микроорганизмов — размножение. Под ростом обычно подразумевают не только рост отдельной клетки, но и общее увеличение числа клеток в результате размножения, т. е. рост культуры микроорганизмов.
Культура представляет собой совокупность особей, занимающих определенное жизненное пространство. Культуру называют чистой, если она представлена микроорганизмами одного вида. Культуру, в которой содержится более чем один вид микробов, называют смешанной или
гетерогенной. Все природные микробиальные явления и биологические процессы на очистных сооружениях осуществляются гетерогенными культурами.
Количественно рост оценивают либо определением числа клеток в культуре, либо измерением их массы. Для практических целей наиболее пригоден и достаточно точен гравиметрический метод определения биомассы.
Рост характеризуется несколькими параметрами, из которых важнейшие
— удельная скорость роста, физиологическая активность и экономический коэффициент.
95
Обозначим биомассу через X. Скорость роста биомассы v пропорциональна ее количеству: v = dХ / dt. (7.1)
Коэффициент пропорциональности v называют удельной скоростью роста. Он показывает скорость роста единицы биомассы и имеет размерность
t, сек. Величина v — основной параметр, характеризующий рост.
Биомасса, продуцируемая на единицу потребленного субстрата, называется экономическим коэффициентом Y или коэффициентом прироста биомассы
Y = dX / dS (7.2) или более строго
Y =-dX / dS',
так как Y — предел, к которому стремится отношение dХ / dS при dS
0.
Поскольку биомасса Х возрастает, а концентрация субстрата S уменьшается, вводится знак «—». Значение Y изменяется в широких пределах в зависимости от природы субстрата, видов микроорганизмов и условий, окружающей среды.
Питательные вещества, потребляемые клеткой, помимо конструктивного обмена, расходуются и для энергетических целей. С учетом расхода питательных веществ на метаболизм в целом скорость потребления субстрата можно выразить следующим образом: dS / dt = q
X, где q — метаболический коэффициент, или удельная скорость метаболизма (физиологическая активность).
Величины v, Y и q связаны между собой следующим отношением:
q = v / Y. (7.3)
Выражение (7.3) используют для определения потребности в субстрате при разных скоростях роста.
96
1.7.2. Закономерности роста и развития микробной культуры
Рост культуры во времени подчиняется определенной закономерности.
Для выявления этой закономерности в питательную среду вносят некоторое количество культуры микроорганизмов и через равные интервалы времени отмечают прирост клеток. На протяжении опыта питательные вещества в среду не добавляют и продукты обмена клеток не удаляют. Такая культура носит название статической.
Рис. 7.1. Закономерности роста статической культуры:
1 — рост культуры во времени, 2 — кривая потребления субстрата
Рост статической культуры во времени описывается кривой 1 на рис. 7.1.
График представляет собой обобщенное описание многочисленных экспериментальных наблюдений, в результате которых было установлено, что закономерности роста и развития чистой культуры справедливы и для таких сложных гетерогенных культур, как активный ил. Для описания закономерностей микробного роста в гетерогенной культуре в течение опыта оценивают изменение концентрации биомассы по сухому веществу (в мг/л).
На кривой роста выделяют несколько участков (фаз развития), каждый из которых характеризуется индивидуальными условиями существования культуры. В каждой фазе клеткам присущи своя скорость размножения, размеры и биохимическая активность.
Кривая 2 на том же рисунке характеризует процесс потребления клетками субстрата S.
97
Фаза I — фаза задержки роста — носит название лаг-фазы (от английского lag — отставание). В лаг-фазе можно выделить два периода. В первом периоде клетки приспосабливаются к условиям окружающей среды, интенсивно синтезируя адаптивные ферменты. В этот период может наблюдаться очень небольшой прирост биомассы за счет увеличения размеров клеток. Во втором периоде лаг-фазы скорость роста увеличивается, достигая к концу фазы максимального значения.
Фаза II называется экспоненциальной или фазой логарифмического роста. Количество питательных веществ неограниченно. Клетки, в основном молодые и биологически активные, обладают наиболее ярко выраженными видовыми признаками. Удельную скорость роста в экспоненциальной фазе определяют, интегрируя уравнение (7.1):
t
k
e
X
t
X
0
)
(
. (7.4)
Значение k вычисляют из уравнения (7.4) по результатам экспериментального определения концентрации биомассы в начале опыта—
Х
0
и в момент времени t—X
t
. Для удобства расчетов уравнение (7.4) может быть линеаризовано путем логарифмирования: ln(Х) = ln(Х
0
) + -k t, откуда ln(X/X
0
) = ln(2).
Обозначим время удвоения биомассы через t
1/2
, тогда
2 1
2 1
693
,
0 2
ln
t
t
k
В фазе экспоненциального роста клетки делятся (то есть число их удваивается) через равные промежутки времени t
1/2
. Эта величина называется временем генерации. Для разных видов микроорганизмов время генерации изменяется в широких пределах. Численные значения t
1/2
и t могут совпадать или различаться в зависимости от соотношения числа и массы клеток в культуре.
98
Фаза III — фаза замедления роста. Интенсивность деления клеток падает, так как изменяются условия существования культуры, уменьшается количество питательных веществ, в среде накапливаются токсичные продукты обмена.
Фазы II и III в совокупности образуют фазу изъятия субстрата или фазу очистки. Их часто рассматривают вместе, строя кривую роста в полулогарифмических координатах.
В этих координатах фаза экспоненциального роста выражается прямой линией.
Фаза замедления роста начинается, когда прямолинейная зависимость нарушается и значение
dX/dt начинает уменьшаться.
Результаты многочисленных экспериментов показывают, что в период удаления субстрата, когда условия в среде более или менее постоянны, экономический коэффициент также остается неизменным. Если принять, что
Х
о и
So— соответственно концентрации биомассы и субстрата в начальный момент, то на основе выражения (7.2): (X—Х
о
)=
Y (So -S). В момент практически полного изъятия субстрата (S=0) биомасса достигает максимального значения
Хт, поэтому
Хт — Xo = YSo, откуда
Y=(Xm— Xo)/So. Фаза
IV носит название стационарной фазы роста. Основная причина ее наступления — истощение запаса питательных веществ, что хорошо показано на рис. 7.1. Плато на кривой роста соответствует нижней точке на кривой удаления субстрата. Если клетки, находящиеся на начальной стадии стационарного роста, перенести в среду, богатую питательными веществами, может начаться экспоненциальный рост культуры без лаг-фазы. Но чем дольше микроорганизмы остаются без источников питания, тем больше вероятность нарушения метаболизма клеток, наблюдаемого в стационарной фазе.
Фаза
V — экспоненциальная фаза гибели клеток. К началу этой фазы значительная часть клеток еще живая и использует в качестве источника углерода эндогенные субстраты. Такой процесс называется эндогенным
99 дыханием. Сначала клетки окисляют запасные вещества, затем клеточные липиды, углеводы и, наконец, белки. Самоокисление клеточного вещества приводит к уменьшению биомассы. В фазе V клетки более мелкие, но они устойчивее к физическим и химическим воздействиям окружающей среды. В смешанных культурах в этой фазе возможно взаимодействие разных видов.
Например, некоторые клетки могут выделять фермент лизоцим, разрушающий клеточные стенки и мембраны других видов микроорганизмов. Лизис клетки способны вызвать и бактериофаги.
Освобожденные органические вещества становятся экзогенным источником углерода для интактных (неповрежденных) клеток. Математически эта фаза описывается уравнениями, аналогичными выражениям для экспоненциальной фазы роста:
X
k
dt
dX
;
t
k
e
X
t
X
0
)
(
;
t
X
X
k
t
ln ln
0
, где k — удельная скорость гибели клеток.
Если уменьшение биомассы Х таково, что половина ее самоокисляется за постоянный промежуток времени t
1/2
, то:
2 1
2 1
693
,
0 2
ln
t
t
k
Скорость отмирания изменяется в широких пределах в зависимости от особенностей видов микроорганизмов и условий в системе.
Характер кривой на рис. 7.1 показывает, что неограниченный рост в статической культуре невозможен. Основные причины этого — истощение источников питания, изменения в окружающей среде в результате выделения токсичных продуктов обмена, нехватка жизненного пространства. Описанная культура — пример закрытой системы, так как питательные вещества в течение опыта в нее не поступают, а продукты обмена из нее не выводятся.
В реальных условиях микроорганизмы культивируют в открытых системах. Примером открытых систем служат биоокислители станций
100 очистки сточных вод — аэротенки и биофильтры. Моделью статической культуры в открытой системе может быть культура полного вытеснения.
Аэротенки городских очистных станций — вариант использования в промышленных масштабах культуры полного вытеснения с возвратом биомассы.
1.7.3. Влияние лимитирующих факторов на скорость роста Рост культуры микроорганизмов тесно связан с условиями ее обитания.
Для нормального роста и развития микроорганизмов среда должна содержать необходимые элементы питания, иметь соответствующие рН, температуру и т. д. Немаловажную роль играют концентрация и соотношение компонентов питательной среды, поскольку потребность в них у микроорганизмов сильно различается (см. гл. 4).
Факторы, ограничивающие рост культуры, называют
лимитирующими. Характерная особенность роста популяции микроорганизмов — зависимость удельной скорости роста от концентрации субстрата. Эта
зависимость описывается гиперболической функцией, называемой уравнением Моно:
v = Ks
S / (S + Ks). (7.6)
Ks — константа насыщения, численно равная такой концентрации субстрата, которая обеспечивает скорость роста, соответствующую половине значения v mах
. Наряду с величинами v и
Y константа
Ks — один из важнейших параметров, характеризующих рост микробных культур. Уравнение Моно отражает зависимость v от остаточной концентрации лимитирующего компонента питательной среды. При избытке этого компонента удельная скорость роста достигает своего максимального значения. Правомерность описания таких сложных процессов, как синтез биомассы, уравнением простой ферментативной реакции объясняется тем, что рост клеток представляет собой совокупность множества регулируемых ферментативных
101 реакций, общая скорость которых зависит от реакции, протекающей наиболее медленно.
Максимальную удельную скорость роста и константу насыщения К
s
определяют аналогично величинам v max и К
m
для ферментативных реакций
(см. раздел 1.5.4).
По мере потребления питательных веществ среда обогащается продуктами обмена, которые также могут лимитировать рост культуры.
Наиболее общий случай влияния концентрации субстрата и продуктов обмена на скорость роста популяции микроорганизмов нашел отражение в модели Н.Д. Иерусалимского (на примере роста колонии грибов):
n
n
i
n
i
C
K
K
V
V
C
V
max
)
(
, (7.7)
где V(C) – скорость увеличения диаметра колоний фитопатогенных грибов, мм/час; V
– остаточная скорость роста гриба при “бесконечной” концентрации бактерий, мм/ч; V
max
– кинетический параметр, отражающий скорость роста гиф, в отсутствии бактерий, K
i
– константа ингибирования, численно равная концентрации бактерий, при которой достигается половина от максимального эффекта ингибирования, кл/мл; n – коэффициент нелинейности ингибирования; С – концентрация клеток бактерий, кл/мл.
Анализ уравнения (7.7) показывает, что при условии К
i
>> C
n
, когда величиной C можно пренебречь, скорость роста ограничена только концентрацией субстрата. Если C >> K
i
, скорость роста лимитирована концентрацией клеток бактерий. Рост культуры микроорганизмов зависит и от целого ряда других факторов: присутствия в среде активаторов и ингибиторов, значений рН и температуры, давления и т. д.
102
1.8. МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА 1.8.1. Взаимосвязь микроорганизмов с окружающей средой Жизнь микроорганизмов неразрывно связана с окружающей средой. С одной стороны, деятельность микробов значительно изменяет окружающую среду в результате удаления из нее питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой стороны, интенсивность обменных процессов внутри клетки во многом зависит от условий окружающей среды. Наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой называется экологией. Различные виды организмов образуют сложные сообщества —
биоценозы, представляющие собой не случайное скопление организмов, а организованную систему. Состав и характер биоценоза определяются свойствами окружающей среды и взаимоотношениями, существующими между представителями отдельных видов. Типы взаимоотношений между микроорганизмами многообразны.
Симбиотические отношения приносят взаимную выгоду симбионтам.
Совместный рост таких организмов идет лучше, чем по отдельности. Широко распространенный пример симбиотических взаимоотношений — симбиоз зеленых водорослей и инфузорий. Водоросль,
поселяясь внутри тела инфузории, использует энергию света для превращения СО
2
в органические вещества, выделяя при этом кислород. Инфузория потребляет кислород для окисления органических веществ в процессе дыхания, образуя в итоге СО
2
Широко распространен
метабиоз — тип взаимоотношений, при котором жизнедеятельность одних микроорганизмов создает условия для развития других. Метабиоз обусловливает последовательность превращений одних веществ в другие и лежит в основе круговорота веществ в природе.
Примером таких взаимоотношений может служить сообщество факультативных и облигатных анаэробов, осуществляющих процесс брожения осадков сточных вод в метантанках, а также нитрифицирующие бактерии родов
Nitrosomonas и
Nitrobacter.
103
Среди микроорганизмов широко распространены и такие типы взаимоотношений, как хищничество (пожирание бактерий простейшими),
паразитизм (уничтожение бактерий бактериофагами), конкуренция за
источники питания (например, между сапрофитными бактериями и жгутиковыми с сапрозойным способом питания). Многие виды микроорганизмов выделяют в среду продукты обмена, снижающие жизнедеятельность других организмов или убивающие их. Так, некоторые виды грибов и актиномицетов продуцируют биологически активные вещества — антибиотики, обладающие бактерицидным действием.
Пространство, занимаемое биоценозом, называется биотопом. Биоценоз и биотоп неразрывно связаны, воздействуют друг на друга и образуют экологическую систему, или, кратко, экосистему. Примеры природных экосистем — различные водоемы или их участки. К числу искусственных экосистем могут быть отнесены все сооружения биологической очистки сточных вод. Любая экосистема является открытой системой, для которой характерен постоянный обмен веществ и энергии как вне, так и внутри нее.
Природные экосистемы способны к саморегуляции и до некоторой степени могут противостоять изменениям окружающей среды. Тем не менее условия среды существенно влияют на формирование экосистем и интенсивность обменных процессов внутри биоценоза.
Факторы окружающей среды, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов, подразделяют на физические и химические. Однако многие такие факторы тесно взаимосвязаны, так что изменение одного из них часто изменяет реакцию организма на действие других факторов.
1.8.2. Влияние физических факторов внешней среды на микроорганизмы
К важнейшим физическим факторам, обусловливающим активность микроорганизмов, относятся температура и свет.
Температура.
Активная жизнедеятельность микроорганизмов ограничивается температурами, лежащими в области от —2°С (или ниже в средах с высоким осмотическим давлением) и примерно до +80°С. В этом
104 температурном интервале вода находится в капельно- жидком состоянии, тоесть в доступной для микроорганизмов форме.
Рост каждого вида микроорганизмов может происходить в определенном температурном интервале, ограниченном минимальной и максимальной для данного вида температурами, ниже и выше которых рост прекращается. Наиболее благоприятная температура в этом интервале, при которой рост максимален, называется оптимальной. Для каждого микроорганизма оптимальная температура определяется суммарным влиянием температуры на множество ферментативных реакций, происходящих в клетке этого микроорганизма.
По отношению к температуре микроорганизмы делят на три группы:
1. Мезофилы (от греч. «mesos»—средний, «phileo»— люблю). Эти микроорганизмы развиваются в интервале температур от 10 до 50°С.
Оптимальная температура для них
25-37°С.
К мезофильным микроорганизмам относится большинство бактерий, простейших, грибов. В эту же группу включены и все патогенные для человека и теплокровных животных организмы.
2. Психрофилы, или холодолюбивые (от греч. «psyhra» — холод).
Среди них есть облигатные формы, растущие в диапазоне температур от —8 до 20°С с оптимумом 5-15°С, и факультативные психрофилы, развивающиеся в более широком температурном интервале от минусовых температур до
30—35°С. Для них оптимальная температура 20-25°С. Способность психрофилов интенсивно развиваться при низких температурах объясняется низким температурным оптимумом действия их ферментов. Для психрофилог характерно более быстрое уменьшение скорости роста при повышении температуры выше оптимальной, чем при ее снижении.
3. Термофилы (от греч. «therme» — тепло). Температурный диапазон развития облигатных термофилов от 40 до 80°С с оптимумом от 55 до 70°С.
Факультативные термофилы способны к росту и при 25°С, и при 60—65°С.
Для них оптимальна температура около 55°С. Особенность факультативных
105 термофилов заключается в их способности к метаболизму мезофильного и термофильного типов. Однако для перехода от мезофилии к термофилии необходим некоторый период адаптации. Эндо- и экзоферменты, а также все белки термофилов обладают необычной термоустойчивостью. Практически все структурные компоненты клеток термофилов качественно отличаются от подобных клеточных элементов мезофилов.
Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Так, многие микроорганизмы при температуре ниже нуля сохраняют жизнеспособность длительное время, но их активная жизнедеятельность приостанавливается.
Споры многих бактерий не погибают даже при температуре кипения жидкого водорода (—252°С).
Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Большинство неспороносных бактерий погибает при температуре 70°С в течение 10—15 мин, при 100°С — в течение 1 мин.
Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белков.
Действие высоких температур — один из главных методов стерилизации.
Среди микроорганизмов, развивающихся в илах очистных сооружений систем водоотведения, обнаруживаются организмы всех трех температурных групп, но большинство составляют мезофилы. Термофильные культуры бактерий используют при сбраживании осадков сточных вод.
Свет. Большинство микроорганизмов хорошо растет в темноте.
Исключение составляют фототрофы, использующие энергию Солнца.
Прямой солнечный свет губителен для микроорганизмов. Микробоцидное
(убивающее) действие его обусловлено главным образом ультрафиолетовой частью спектра. Адсорбция ультрафиолетовых лучей белками и нуклеиновыми кислотами клетки приводит к необратимым химическим изменениям. Наиболее чувствительны к действию света вегетативные клетки.
Губительнее ультрафиолетовые лучи действуют на большинство патогенных
106 микробов, чем на сапрофитов. Эти лучи обладают низкой проникающей способностью.
Облучение ультрафиолетовыми лучами применяют для обеззараживания артезианских вод.
1.8.3. Влияние химических факторов внешней среды на
микроорганизмы
Жизнедеятельность микроорганизмов и интенсивность обменных процессов зависят и от химического состава среды обитания. К важнейшим химическим факторам относятся: рН, окислительно- восстановительный потенциал, суммарная концентрация органических и неорганических веществ, наличие токсичных соединений.
Концентрация водородных ионов (рН) существенно влияет на развитие микроорганизмов. Большинство бактерий предпочитает среду со значением рН, близким к нейтральному (6,5—7,5). Однако некоторые виды бактерий хорошо растут в щелочной или более кислой среде. Для развития грибов благоприятна среда с рН 4 — 6. Актиномицеты лучше растут в щелочной среде.
Цитоплазматическая мембрана бактерий трудно проницаема для ионов водорода и гидроксильных групп, поэтому концентрация ионов водорода внутри клетки не уравновешивается с рН внешней среды и остается достаточно постоянной даже при значительных колебаниях рН среды. Тем не менее метаболизм микроорганизмов зависит от значения рН, так как концентрация ионов водорода оказывает воздействие на состав питательной среды и поверхностные структуры клеток, влияя на диссоциацию кислот и оснований, растворимость различных веществ и т. д. Влияние рН может быть результатом взаимодействия ионов водорода с ферментами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, в частности с пермеазами (см. раздел 1.5.2 и 1.6.2).
В процессе жизнедеятельности многие микроорганизмы активно изменяют рН среды, выделяя, например, кислые продукты обмена.
107
Подкисление может быть настолько сильным, что рост микробов прекращается. Другие микроорганизмы, например, ацетоно-бутиловые бактерии, регулируют рН внешней среды, переходя при накоплении в среде кислот к синтезу нейтральных продуктов (смотри раздел 1.6.5).
Активный ил очистных сооружений также способен регулировать величину рН, но эта способность резко уменьшается, когда значение рН выходит за пределы 5—9. Примерно в том же интервале наблюдается максимальная интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов активного ила.
Окислительно-восстановительные условия среды определяют пригодность ее для тех или иных видов микроорганизмов. Окислительно- восстановительная способность среды зависит от соотношения в ней окислителей и восстановителей и определяется величиной редокс- потенциала Ер. Величину Ер выражают в милливольтах и определяют потенциометрическими методами. Для характеристики окислительно- восстановительных условий в биологических системах чаще пользуются величиной rН
2
, которая представляет собой отрицательный логарифм давления молекулярного водорода в среде. Величина rН
2
изменяется от 0 до
41. Минимальное значение rН
2
соответствует сильно восстановительным условиям, которые могли бы быть при насыщении среды молекулярным водородом (при избыточном давлении 0,1 МПа). В среде, окислительные свойства которой соответствуют условиям, создаваемым при насыщении ее кислородом при том же избыточном давлении, rН
2
=41. Равновесие окислительных и восстановительных условий характеризуется величиной
rН
2
=28.
Облигатные анаэробы развиваются в интервале значений rН
2
= 0—20, но активно размножаются, если величина rН
2
=<7—8. Для факультативных анаэробов rН
2
среды может изменяться от 0 до 30, для облигатных аэробов
— от 12 до 30. Величина rН
2
=>30 характеризует среду с сильными окислительными свойствами, непригодную для развития микроорганизмов.
108
Величины
Ep и
rН2 связаны следующим соотношением:
rН2 =
Ep / 0,03 + 2 рН.
Концентрация органических веществ — питательного субстрата для микроорганизмов — в определенных пределах влияет на скорость изъятия субстрата и рост популяции микроорганизмов (см. раздел 1.5.4 и 1.7.2).
Избыточная концентрация субстрата может привести к снижению скорости его окисления. Поэтому для сооружений биологической очистки сточных вод концентрация поступающей воды по БПК ограничена 500 мг/л.
Концентрация неорганических солей также не должна превышать определенной величины. Для сточных вод, поступающих на биологическую очистку, минерализация ограничена 10 г/л. Это объясняется тем, что многие организмы очень чувствительны к изменению концентрации солей и связанного с ней осмотического давления. Высокая концентрация солей в растворе может привести к плазмолизу клетки — потере ею воды.
Токсичные соединения. Многие химические соединения обладают антимикробным действием, при этом одни только издерживают развитие микробов
(микробостатическое действие), другие обладают микробоцидными свойствами. Такие соединения обычно называют ядами.
Однако абсолютных ядов не существует и степень их
воздействия на микроорганизмы зависит от концентрации, продолжительности контакта и вида микробов. Многие яды в очень малых концентрациях оказывают даже стимулирующее действие, повышая биохимическкую активность микроорганизмов.
Среди неорганических веществ микробоцидным эффектом обладают соли тяжелых металлов, такие окислители, как хлор, озон, бром, иод.
Соединения серебра, ртути и меди проявляют микробоцидное действие в ничтожно малых концентрациях.
Такое действие называется
олиаодинамическим (от греч. «oligos» — малый).
По степени токсичного воздействия на микроорганизмы металлы можно расположить в следующем порядке:
109
Sb>>Ag>Cu>Hg>Co>Ni>Pb>Cr>V>Cd>Zn>Fe.
Нетрудно заметить, что среди токсичных металлов есть металлы, необходимые для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов (см. раздел 1.4.1). Например, при концентрации меди 0,5 мг/л она токсична для микроорганизмов активного ила, но как микроэлемент необходима им.
Кобальт и железо- также постоянные компоненты живой материи, но концентрация кобальта более 1 мг/л считается токсичной для организмов активного ила.
Микробные яды используют для обеззараживания различных материалов, подавления нежелательных биохимических процессов.
Микробоцидное действие сильных окислителей лежит в основе широко применяемых методов обеззараживания питьевых и сточных вод.
Сильными ядами для микробов являются и некоторые органические соединения: фенолы, спирты, формалин и т.д. В то же время многие из этих веществ могут использоваться специфическими группами микроорганизмов в качестве источников углеродного питания. Необходимое условие этого — предварительная адаптация микрофлоры. Например, установлено, что предельно допустимая концентрация фенола для городских станций биологической очистки сточных вод составляет 15 мг/л. В то же время адаптированный активный ил, специально предназначенный для очистки фенолсодержащих сточных вод, способен использовать фенол как источник углерода в концентрации до 1000 мг/л.
Механизм действия антимикробных соединений неодинаков: одни
(окислители, фенолы, ПАВ, ионы водорода) влияют на функцию пограничных структур клетки, иногда вызывая ее повреждение, другие
(тяжелые металлы, цианиды, некоторые окислители, спирты) нарушают структуру и функции белков, в том числе ферментов; третьи, проникая в клетку, способны реагировать с ДНК (азотистая кислота, некоторые антибиотики, окись этилена). Наконец, есть вещества, обладающие сходной структурой с важнейшими метаболитами клетки. Их называют
110
антиметаболитами, поскольку они способны замещать метаболиты в ферментативных реакциях, тем самым прекращая процесс (см. раздел 1.5.2).
2. Лабораторный практикум по дисциплине «Основы микробиологии» 
Скачать 2.32 Mb.