2020-04-07
158
Процесс получения энергииу прокариотов– дыхание (биологическое окисление), в результате которого синтезируются молекулы АТФ. У некоторых микроорганизмов аккумулятором энергии могут быть и другие фосфаты, иногда даже неорганические.
Для синтеза структурных компонентов микробной клетки и поддержания процессов жизнедеятельности наряду с питательными веществами требуется достаточное количество энергии. Эта потребность удовлетворяется за счет биологического окисления и консервируется в форме АТФ. Молекулы АТФ синтезируют в результате переноса электрона от его первичного донора (органическое вещество) до конечного акцептора. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, различают аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород (О2), а при анаэробном – различные неорганические соединения: NO3-, SO4 ²-, SO3²-.
Типы биологического окисления.
В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют три типа образования энергии у бактерий: аэробное дыхание, анаэробное дыхание и ферментацию (брожение).
|
|
|
1. Аэробный (от греч. аer – воздух и bios – жизнь) тип – окислительное фосфорилирование – совокупность экзотермических процессов ферментативного распада органических веществ (реже – неорганических), происходящих с участием свободного кислорода.
Облигатным (строгим) аэробам для дыхания необходим молекулярный (атмосферный) кислород. Они не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, используют только аэробный путь окисления (некоторые виды псевдомонад, холерный вибрион, туберкулезная палочка).
Для аэробов, растущих на агаре или в тонких слоях жидкости в присутствии воздуха, кислорода вполне достаточно.
Микроаэрофилы (факультативные аэробы) нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода (от 0,01 до 0,03 бар). При полном доступе кислорода (в воздухе парциальное давление О2 составляет 0,2 бар) рост микроорганизмов прекращается или резко замедляется. Микроэрофилами является большинство аэробных бактерий.
Капнофилы нуждаются в наличии в среде двуокиси углерода (до 10 %), так как приспособлены к более высокому, чем в воздухе, содержанию СО2. Для этого кпитательным средам добавляют бикарбонат натрия и инкубируют культуры в закрытых сосудах в атмосфере, содержащей СО3-2; можно также продувать обычный или обогащенный СО2 воздух. Капнофилами являются некоторые патогенные бактерии (бруцеллы, кампилобактерии, хеликобактерии).
2. Анаэробный (от греч. an – отрицание, аer – воздух и жизнь) тип –совокупность экзотермических процессов ферментативного распада органических веществ, происходящих без участия кислорода. Анаэробы получают энергию в форме АТФ путем ускоренного, но не полного окисления (субстратного фосфорилирования) углеводов, белков, липидов.
|
|
|
3. Если и донорами и акцепторами водорода выступают органические соединения, происходит брожение – процесс ферментативного расщепления органических соединений, преимущественно углеводов, с образованием спиртов (этилового, пропилового, глицерина) и органических кислот (молочной, муравьиной, уксусной, масляной).
Анаэробы осуществляют обмен веществ и размножаются в условиях отсутствия кислорода в среде обитания.
Различают облигатные, аэротолерантные и факультативные анаэробы.
Облигатные (строгие) анаэробы (возбудители столбняка, ботулизма) используют только анаэробный путьбиологического окисления и размножаются только в анаэробных условиях. Они лишены ферментов супероксиддисмутазы и каталазы, защищающих микробную клетку от токсических продуктов окисления.
Аэротолерантные микроорганизмы (некоторые возбудители газовой гангрены) обладают супероксиддисмутазной активностью, но лишены каталазы и пероксидазы; они могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не способны его использовать; энергию получают исключительно с помощью брожения.
Факультативные анаэробы (большинство патогенных бактерий, например, кишечная палочка, сальмонеллы) обладают супероксиддисмутазной и каталазной активностью. Факультативные анаэробы образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Они могут изменять свой путь биологического окисления в зависимости от наличия или отсутствия кислорода. В кислородных условиях в качестве конечного акцептора водорода они используют атмосферный кислород. В бескислородных условиях в качестве конечного акцептора водорода они используют нитраты или сульфаты.
Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха представлена в таблице 2 и рисунке 2.
Таблица 2. Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха
| Группа бактерий | Наличие ферментов, нейтрализующих токсические кислородные продукты | При доступе кислорода воздуха | Без доступа кислорода воздуха | ||
| Суперок- сид-дисмута- за (О•→Н2О2) | Каталаза (Н2О2→ Н2О+ О2) | ||||
| Облигатные аэробы | + | + | Растут | Не растут | |
| Микроаэрофилы | + | ± | ↓О2 – растут | ||
| Капнофилы | + | ± | ↑СО2 - растут | ||
| Анаэробы | Облигатные | – | – | Погибают | Растут |
| Аэротолерантные | + | – | Не растут, но не погибают | ||
| Факультативные | + | + | Растут | ||
Анаэробы очень широко распространены. Они являются возбудителями ряда опасных инфекционных заболеваний человека.
Рис.2. Выявление типа дыхания микроорганизмов при культивировании в высоком столбике мясо-пептонного агара.
Рост микроорганизмов
Рост микроорганизмов – генетически контролируемое увеличение объема и массы микробной клетки, связанное с синтезом новых веществ. Рост в применении к популяции – увеличение биомассы популяции.
Стадии (фазы) роста бактериальной культуры на питательной среде (рисунок 3). Каждая фаза роста культуры в питательной среде характеризуется определенным размером клеток, скоростью размножения и потребления субстрата, синтезом метаболитов.
A – фаза задержки роста (начальная стационарная), или лаг-фаза (от англ. lag – отставание), в среднем длится 1–2 ч. Начало лаг–фазы связано с адаптацией клеток к среде обитания. Важную роль играет «предыстория» выращивания посевной культуры. Если использован инокулят из культуры с резко отличающимися условиями выращивания, то клеткам требуется время на синтез новых рибосом, РНК и адаптивных ферментов. В этом периоде увеличивается размер клеток, в 8–12 раз повышается содержание РНК. Деления клеток при этом почти не происходит. Полноценная среда, физиологически активная посевная культура, которая подготовлена к синхронному делению, способствуют короткой лаг–фазе (или ее отсутствию) переходу ко II фазе. Синхронизации можно достичь с помощью пониженной температуры, ограничения питательных веществ, фильтрации, обеспечивающей пропускание клеток определенного размера.
|
|
|
Время | |
| Рис. 3Фазы роста бактериальной культуры в питательной среде: A – лаг-фаза; B – период положительного ускорения; C – лог-фаза; D – фаза отрицательного ускорения; E – стационарная фаза; F – фаза отмирания |
Синхронизация длится 2–4 генерации, а далее наступает асинхронный рост.
B – короткий период положительного ускорения между фазами A и B,когда начинается деление бактерии.
C – фаза логарифмического (экспоненциального) роста начинается, когда скорость роста клеток всей популяции достигает постоянной величины, средняя продолжительность её 5–6 ч. Скорость деления клеток максимальная, но клетки имеют наименьший размер. Популяция бактериальной культуры состоит из делящихся клеток и достаточно стандартна по своим свойствам (содержание белка, нуклеиновых кислот, наиболее выраженные видовые признаки), поэтому эта фаза удобна для определения многих параметров популяции (плотность бактерий, скорости роста и потребления субстрата, содержание биополимеров клетки). В этот период отмечено снижение резистентности к агрессивным веществам.
Несмотря на постоянную скорость роста популяции бактерий в логарифмической фазе, отдельные клетки все же находятся в разных стадиях деления. Иногда важно синхронизировать рост всех клеток популяции, то есть получить синхронную культуру. Простыми методами синхронизации являются изменение температурных условий или культивирование в условиях недостатка питательных веществ. Вначале культуру помещают в неоптимальные условия, затем сменяют их оптимальными. При этом у всех клеток популяции синхронизируется цикл деления, но синхронное деление клеток происходит обычно не более 3–4 циклов.
|
|
|
D – фаза замедления скорости роста (отрицательного ускорения) длится около 2 ч. Количество питательных веществ существенно уменьшается (отмечается воздействие на бактерии лимитирующих факторов), в культуральной жидкости накапливаются метаболиты, в том числе токсичные для бактерий (отмечается ингибирующее воздействие) и скорость деления клеток снижается.
E – стационарная фаза, или фаза максимальной концентрации (М–концентрация). Клетки перестают делиться. Однако, количество живых клеток постоянно, так как количество жизнеспособных бактерий соизмеримо с количеством отмирающих. В этот период клетки переходят на эндогенные субстраты (окисляют запасные вещества, белки, углеводы, липиды). Длительность стационарной фазы различается у разных микроорганизмов. Напр., у E.coli она наступает через 18–24 ч, у Azotobacter – через 72 ч с момента внесения инокулята в питательную среду.
F – фаза отмирания, характеризуется массовой гибелью бактерий. В бактериальной популяции отмечается образование инволюционных форм, аутолиз под действием собственных ферментов. У бактерий меняются морфологические и биохимические свойства. Гибель может наступить через несколько дней, недель, месяцев.
В эту фазу различают периоды ускоренной гибели (количество живых клеток начинает снижаться с увеличивающейся скоростью), логарифмической гибели (количество живых клеток убывает с максимальной скоростью), уменьшения скорости гибели (количество живых клеток убывает с уменьшающейся скоростью) и стационарную фазу минимума (количество живых клеток минимально).
Данная динамика характерна для периодических (статических) культур с постепенным истощением запаса питательных веществ и накоплением метаболитов. Таким образом, неограниченный рост в закрытой от доступа дополнительных питательных веществ периодической культуре невозможен.
Если в питательной среде создают условия для поддержания микробной популяции в экспоненциальной фазе – это хемостатные (непрерывные) культуры.
