ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология микроорганизмов изучает функции, а также биохимические процессы, происходящие в их клетках и окружающей среде. Конкретно физиология микроорганизмов рассматривает их питание, дыхание, размножение, движение, спорообразование и превращение веществ.

Питание микроорганизмов происходит при посредстве диффузии (самостоятельное проникновение) и осмоса (проникновение под влиянием чего-то) жидких питательных веществ сквозь полупроницаемую оболочку клетки и выделения наружу продуктов обмена. Быстрота процесса проникновения питательных веществ через оболочку зависит от строения клетки, в том числе от концентрации питательных веществ в ней и окружающей среде, и внешних условий. Большинство микроорганизмов живет в солевых растворах, приближающихся к 0,5%-ному раствору хлористого натрия, обеспечивающих осмотическое давление клеточного сока в пределах 3—6 атмосфер. При внесении микроорганизмов в концентрированные гипертонические растворы поваренной соли или сахара вода из них отсасывается наружу и протоплазма клеток сморщивается. Это явление называется плазмолизом. В таких условиях микроорганизмы прекращают развитие и в большинстве случаев гибнут. На этом явлении основано длительное хранение продуктов: соление (грибов, мяса), консервирование (плодов, овощей), варение (фруктов в сахаре). Однако встречаются осмофильные микроорганизмы, которые переносят высокие концентрации солей, Сахаров, меда.

Так, некоторые микроорганизмы (например, водоросли Dunaliena salina, Asteromonas gracilis обитают в соленых озерах, бактерии (Leuconostoc mesenteroides) — в растворах сахара, дрожжи (Zygosaccharomyces mellis acidi) — в меде. У них осмотическое давление достигает 20—50 атмосфер и выше. Микроорганизмы, помещенные в гипотонические растворы (дистиллированную воду), сильно набухают под воздействием притекающей извне воды, округляются, некоторые из них разрываются. Явление набухания носит название плазмоптиса.

Микроорганизмы для питания используют самые разнообразные вещества. Для них необходимы минеральные вещества (сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо) и органогены, т. е. элементы, входящие в органические соединения (кислород, водород, углерод и азот). Кроме того, в очень малых количествах для нормального развития микроорганизмов требуются микроэлементы (цинк, бор, кобальт, марганец), которые содержатся в водопроводной воде и минеральных солях. Для развития некоторых микроорганизмов необходимы также особые вещества — стимуляторы роста, или ростовые вещества, которые содержатся в экстрактах дрожжей, кукурузном экстракте, проростках растений. В этих веществах имеются необходимые для жизни витамины, аминокислоты и близкие к ним вещества.

Кислород и водород микроорганизмы получают в основном из воды и органических соединений. Некоторые бактерии усваивают и свободный кислород воздуха.

По способу использования углерода микроорганизмы делятся на автотрофов (автос — сам, трофе — питание) и гетеротрофов (гетерос — другой).

Автотрофы, или прототрофы (протос — простой), усваивают углерод из углекислоты воздуха. В отличие от зеленых растений, поглощающих углекислоту с помощью фотосинтеза, т. е. энергии солнечных лучей, микроорганизмы усваивают углекислоту с помощью хемосинтеза, т. е. энергии, получаемой при окислении некоторых минеральных соединений, например нитрифицирующие микроорганизмы получают энергию при окислении аммиака в азотную кислоту, железобактерии — при окислении закиси железа в окись железа, серобактерии — при окислении сероводорода в серу, сернистую и серную кислоты.

Гетеротрофы — микроорганизмы, усваивающие углерод только из готовых органических соединений. К ним относятся микроорганизмы брожения, гнилостные и патогенные (болезнетворные) микроорганизмы. Каждый вид микроба развивается на средах с определенной концентрацией водородных ионов (рН). Гетеротрофные микроорганизмы, в свою очередь, делятся на метатрофы (мета — после и трофе — питание), или сапрофиты (сапрос — гнилой, фитон — растение), и паратрофы (пара — возле, трофе — питание), или патогенные. Первые питаются мертвыми питательными веществами, вторые размножаются только в живых существах. Паратрофы являются возбудителями болезней растений, беспозвоночных и позвоночных животных. Деление микроорганизмов на автотрофов, метатрофов и паратрофов весьма условно. Резких граней между ними нет. Многие паратрофы (патогенные микроорганизмы) могут развиваться и на мертвых питательных средах.

Изучение эволюции органического мира показало, что паратрофы как паразиты других живых существ возникли в глубокой древности, на заре возникновения жизни. Современные паратрофы, как и все другие живые существа, находятся в развитии и продолжают совершенствовать свои паразитические свойства.

Дыхание микроорганизмов. Питание микроорганизмов обеспечивает построение оболочки, цитоплазмы и ядерной субстанции, а также размножение. Питание, как правило, сопровождается эндотермическими реакциями (с поглощением тепла), а дыхание, наоборот, экзотермическими реакциями (с освобождением тепла). Эти процессы протекают одновременно и обеспечивают необходимый для жизни обмен веществ, выражающийся в ассимиляции (усвоении) нужных веществ и диссимиляции (выведении) отработанных вредных шлаков.

По типу дыхания микроорганизмы делятся на аэробы (аэр — воздух) и анаэробы (не нуждающиеся в кислороде воздуха).

Аэробы живут в присутствии кислорода воздуха и получают тепловую энергию при окислении и расщеплении углеводов, при этом углевод расщепляется до воды и углекислоты, выделяя большое количество энергии. Так, грамм-молекула глюкозы образует 688 больших калорий тепла. Реакция протекает по формуле

C₆H₁₂O₆ + 6O₂= 6CO + 6Н₂О + 688 килокалорий.

Анаэробы могут жить и развиваться только при отсутствии кислорода воздуха, для анаэробов такой кислород является ядом. Эти микроорганизмы в процессе дыхания получают энергию и необходимый для построения клетки связанный кислород путем (расщепления органических соединений. Между облигатными (строгими) аэробами и анаэробами существует много переходных групп. Имеются микроорганизмы факультативные (необязательные) — аэробы и анаэробы, могущие развиваться в тех и других условиях.

В анаэробных условиях расщепление одного и того же вещества, например глюкозы, дает значительно меньше энергии, чем в аэробных условиях. Так, из одной грамм-молекулы глюкозы дрожжи в анаэробных условиях дают тепла только 27 килокалорий:

С₆Н₁₂О₆=2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 килокалорий.

Из этого видно, что для получения того же количества энергии, какое получают аэробы, анаэробы перерабатывают в десятки раз большие количества тех же самых органических соединений. Таким образом, дыхание микроорганизмов представляет собой совокупность биохимических аэробных и анаэробных процессов по освобождению энергии, используемой для их жизнедеятельности.

Окисление органических соединений, дающих освобождение энергии, происходит при активировании молекулярного кислорода или активировании в окисляемом соединении водорода. Известны два дыхательных фермента: оксидазы, активирующие кислород, и гидрогеназы, активирующие водород. При окислении кислорода воздуха образуются перекиси, выделяющие под влиянием пероксидаз атомы кислорода, которые окисляют используемые микробом соединения. Активирование водорода происходит при образовании перекиси водорода, губительно действующей на клетку. Перекись водорода нейтрализуется каталазой, выделяемой многими видами микроорганизмов.

Ферменты микроорганизмов. Сложные процессы питания и дыхания микроорганизмов осуществляются с помощью ферментов, или энзимов. Ферменты, выделяемые микроорганизмами в окружающую среду, называются экзоферментами, а ферменты, тесно связанные с их клеткой, — эндоферментами. Первые подготавливают питательные вещества для всасывания через оболочку клетки, вторые внутри клетки превращают поступившие вещества в составные части клетки.

Ферменты имеют белковую природу. Некоторые из них состоят исключительно из белка. В состав других ферментов, кроме белка, входит еще небелковая часть (простетическая группа), которая может содержать ион металла или органические соединения, имеющие свойства витаминов.

Ферменты делят на 6 классов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы). Согласно действующей номенклатуре ферментов, кроме названия, введено обозначение ферментов четырьмя цифрами, разделенными точками (например, каталаза — 1.11.1.6). Цифры указывают на классификацию ферментов. Первая цифра обозначает класс фермента (тип катализируемой ферментом реакции), вторая — подкласс (обозначает соединения, на которые действует фермент), третья — подподкласс, четвертая — индивидуальный номер фермента. Названия ферментов имеют окончание — аза.

Оксидоредуктазы — ферменты, осуществляющие окислительно-восстановительные реакции. Это большая группа ферментов, имеющихся во всех живых организмах, в том числе и в микроорганизмах. К данному классу ферментов принадлежат различные дегидрогеназы, которые могут окислять спирты в альдегиды или кетоны; другие дегидрогеназы могут окислять альдегиды в кислоты. В том случае, когда в реакции принимает участие кислород, активируемый во время реакции, ферменты называются оксидазами. К ним относятся, медьсодержащий фермент аскорбинат-оксидаза и железосодержащие ферменты — гидрогеназа, каталаза, пероксидаза. Гидрогеназа может использовать молекулярный водород для восстановления различных веществ, Под влиянием каталазы перекись водорода разлагается на воду и молекулярный кислород. Этим обезвреживается губительное действие перекисей. При действии пероксидазы происходит окисление ароматических аминов, фенолов и других веществ и расщепление перекиси водорода до воды.

Трансферазы — ферменты, переносящие отдельные функциональные группы веществ в реакциях между молекулами, например метальную группу — СН₃, аминогруппы — NH₂ (важно в белковом обмене), альдегидные или кетоновые остатки (их роль велика в обмене углеводов, они катализируют взаимопревращение Сахаров), группы, содержащие фосфор. Так, фермент гексокиназа катализирует реакцию фосфорилирования глюкозы, фруктозы и маннозы у шестого углеродного атома, что играет большую роль в углеводном обмене.

Гидролазы — ферменты, гидролизующие жиры, углеводы и белки с присоединением воды. Гидролазы, действующие на сложноэфирные связи, называются эстеразами (от эстер — эфир). Примером эстераз может служить фермент липаза, катализирующая гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты. Под влиянием эстераз жиры, масла и воск расщепляются на жирные кислоты и спирты. Пчелиный воск, состоящий из высших жирных кислот и высшего одноатомного спирта, под действием эстеразы распадается на цериновую (C₂₅H₅₁COOH) и пальмитиновую (C₂₅H₅₁COOH) кислоты и мерициловый спирт (С₃₂Н₆₃ОН). Разрушают воск и образуют эстеразы следующие грибы: Aspergillus niger, A. flavus, A. fumigatus, A. versicolor, A. regulosus, A. tamarii, A. fiischeri, Penicillium rogueformii, P. chrysogenum, P. purpurescens, P. nissarum, P. oxalicum, P. decumbens, P. javanicum, P. soppi, Aureobasidium pullulans, Candida albicans, Oidium lactis, Fusarium sporotrichiella. Эстеразы образуют также некоторое бактерии, например Micrococcus cerolyticus, М. aureus, М. citreus, Proteus, Serratia marcescens. Наиболее часто микроорганизмы разрушают воск сотов и мервы.

Для определения у микробов эстеразы их выращивают на агарной среде с добавлением растительного масла и небольшого количества нильского синего. При наличии эстеразы среда из розовой становится фиолетовой в результате появления свободных жирных кислот.

Гидролазы фосфомоноэфиров называются фосфатазами, сюда же относится образуемая многими микроорганизмами дезоксирибонуклеаза (ДНК-аза).

Наиболее обширная и важная группа гидролаз — это гидролазы, действующие на гликозильные соединения. Они осуществляют гидролиз сложных углеводов (крахмала, других полисахаридов, трисахаридов и дисахаридов) до более простых. Амилазы катализируют гидролиз крахмала, причем в зависимости от конечных продуктов они подразделяются так: α-амилаза гидролизует крахмал в основном до декстринов с небольшой примесью мальтозы; β-амилаза расщепляет крахмал до мальтозы и небольшого количества декстринов; глюкоамилаза — до глюкозы; хитиназа расщепляет азотсодержащий полисахарид хитин до хитозана, вискозина и N-ацетилглюкозамина. Хитиназу образуют грибы Coprinus comatus, Phallus impudicus, Fistulina hepatica, Beauveria bassiana, Aspergillus niger, A. flavus, Ascosphaera apis. В местах скопления насекомых (пасеки, червоводни) количество хитинорасщепляющих микроорганизмов возрастает, некоторые из них усиливают свои патогенные свойства.

Дисахариды под влиянием соответствующих ферментов гидролаз расщепляются в результате присоединения воды на углевод (моносахара) и шестиуглеродный спирт. Так, под действием α-глюкозидазы (старое название мальтаза) солодовый сахар — мальтоза гидролизуется до глюкозы и спирта, β-фруктофуранозидаза (старое название сахараза или инвертаза) катализует распад сахарозы до спирта и фруктозы.

Каждый микроб имеет свой, присущий ему набор ферментов. Для определения ферментов, расщепляющих углеводы, применяют цветные среды.

Гидролазы, действующие на пептидные связи, относятся к пептид-гидролазам. Они осуществляют разложение белков и пептидов до аминокислот. Сюда относятся все протеолитические ферменты: аминопептидазы, карбоксипептидазы, протеиназы. Наличие протеаз определяют по разжижению белка желатины и пептонизации молока (молочного белка — казеина). Протеазу образуют Bacillus larvae, Вас. alvei, Вас. subtilis, Вас. mesentericus, Bacterium apisepticum, B. vulgaris.

Лиазы — ферменты, отщепляющие от субстрата различные группировки негидролитическим путем с образованием двойной связи или присоединяющие группу к двойной связи.

У микробов широко распространены декарбоксилазы, отщепляющие карбоксильную группу от оксикислот или аминокислот, в результате чего происходит укорочение углеродной цепи. Так, под действием пируватде-карбоксилазы от пировиноградной кислоты отщепляется молекула углекислоты, при этом образуется уксусный альдегид.

В процессе брожения важны альдолазы, под действием которых фосфорилированный шестиуглеродный сахар распадается на две молекулы фосфорилированных трехуглеродных соединений. Глубокое разложение микробами безазотистых соединений называется брожением.

Спиртовое брожение — превращение сахара в этиловый спирт. Брожение вызывают дрожжи Saccharomyces cerevisiae, S. vini.

Молочно-кислое брожение — превращение углеводов (лактозы, сахарозы, глюкозы) в молочную кислоту. Это брожение вызывают Lactobacterium pollinis, L. bulgaricus, L. acidophilus. Молочно-кислому брожению подвергается пыльца, превращаясь в длительно сохраняющуюся пергу.

Изомеразы — ферменты, осуществляющие внутримолекулярные перестройки в субстратах (например, превращают фосфат глюкозы в фосфат фруктозы).

Лигазы (синтетазы) — ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух молекул с одновременным разрывом фосфатных связей.

Ферментная способность микробов широко используется в быту, сельском хозяйстве и промышленности. С помощью микроорганизмов уничтожают вредных насекомых, удобряют почвы, получают молочные продукты (сыр, ацидофилин, кумыс), хранят сельскохозяйственные продукты (квашение капусты, силос), получают уксусную, молочную, щавелевую кислоты, обеспечивают хлебопечение, виноделие, пивоварение.

Размножение микроорганизмов. Микроорганизмы размножаются быстро. При благоприятных условиях бактериальные клетки делятся через каждые 20—30 мин. При таком темпе деления из одной бактериальной клетки будет через 5ч 1024 клетки, а через 5 сут живая масса бактерий могла бы заполнить все моря и океаны. В действительности же этого не бывает. Их развитие ограничивается рядом неблагоприятных факторов, в первую очередь отсутствием достаточного количества питательной среды. В развитии микроорганизмов наблюдается определенная закономерность: после засева питательной среды наблюдается стадия покоя — микробы не развиваются, затем следует стадия бурного размножения, после достижения максимальной концентрации микробов в среде начинается стадия ускоренного их отмирания.

Пигментообразование свойственно многим микроорганизмам. Пигменты микробов, или красящие вещества, бывают красные, розовые, лимонные, желтые, золотистые, синие, фиолетовые, зеленые, черные. Пигменты могут быть нерастворимыми в воде, тогда окрашиваются только колонии, и могут быть растворимыми в воде, в этом случае они окрашивают в соответствующий цвет питательную среду.

Пигментообразование наиболее полно выявляется на картофельной среде при доступе кислорода и температуре 22—28 °С. Пигменты наиболее активно образуют микроорганизмы, селящиеся в зеленой кроне растений. Пигменты играют защитную роль против действия солнечного света и ультрафиолетовых лучей. Широко распространен в природе дрожжеподобный гриб Aureobasidium pullulans (De Bary) Arnaund, имеющий в своих клетках черный пигмент меланин. Красный железосодержащий пигмент пульхерримин образуется клетками дрожжей Candida runkaufii, и Candida pulcherrima, которые часто обнаруживаются в цветках растений и кишечнике пчел.

Свечение микроорганизмов. Фотогенные, светящиеся бактерии излучают фосфоресцирующий свет. Они образуют соединения, которые при притоке кислорода воздуха начинают светиться. Такие бактерии воздуха начинают светиться. Такие бактерии встречаются в морской и пресной воде. Фотогенные бактерии можно получить на среде из рыбы с добавлением; 4% хлористого натрия и при культивировании их; при температуре 9—12 °С.

Ароматообразование свойственно многим микроорганизмам, которые синтезируют летучие ароматические сложные эфиры. Такие микроорганизмы широко используются в виноделии, сыроварении, приготовлении масла. Многие патогенные хмикроорганизмы издают неприятные гнилостные запахи. Они иногда служат одним из признаков для определения болезней насекомых.

Токсинообразование. Некоторые патогенные микроорганизмы образуют яды — токсины. Различают экзотоксины — токсины, выделяемые живой микробной клеткой в питательную среду, и эндотоксины, тесно связанные с микробной клеткой. Токсины подавляют защитные свойства организма хозяина, например пчелы, тутового шелкопряда, благодаря чему микроорганизмы могут паразитировать.