МІКРОБІОЛОГІЯ

Електронний посібник

Головна

Анотація

Теоретичні відомості

Додатки

Список використаних джерел

Укладачі

1. ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ

1.2. Обмін речовин у мікроорганізмів

1.2.1. Живлення мікроорганізмів

1.2.2. Дихання бактерій

1.2.3. Ріст і розмноження бактерій

1.2.4. Фактори росту мікроорганізмів

1.2.5. Вплив на мікроорганізми фізичних і хімічних факторів

Усім організмам властивий невпинний обмін речовин з навколишнім середовищем. Для здійснення процесів живлення і розмноження потрібна наявність поживних матеріалів, з яких бактерії синтезують складові частини свого тіла і дістають внаслідок окислення і відновлення різних речовин потрібну енергію. Джерелами енергії для бактерій є сонячне світло, неорганічні й органічні речовини.

1.2.1. Живлення мікроорганізмів

За характером використання джерела енергії розрізняють три групи бактерій.

Рис. 24. Залізобактерії

Фототрофи як джерело енергії використовують сонячне світло. Автотрофи (аутотрофи) – неорганічний вуглець, органотрофи (гетеротрофи) – органічний вуглець (вуглеводи, жирні кислоти).

Літотрофи (грец. htos – камінь, trophe – живлення) дістають енергію від окислення неорганічних речовин (водень, окис вуглецю, метан, аміак, сполуки заліза, марганцю, сірки). Вони відіграють важливу роль у кругообігу речовин у природі.

Разом з тим, літотрофи справляють і шкідливий вплив: руйнують будівельні матеріали (бетон, скло, гуму, емаль та ін.), спричинюють корозію металів, піддають руйнуванню близько 10% усіх запасів нафти і значною мірою знижують її якість.

До хемолітотрофів належать бактерії, що населяють гарячі джерела, їх виявляють на дні океанів, у надсолоних озерах, на скелях гірських вершин, у пісках пустель.

Найважливіші об'єкти для ветеринарної мікробіології – органотрофи, їх поділяють на сапрофітів і паразитів.

Сапрофіти в процесі своєї життєдіяльності використовують органічні речовини, які є в навколишньому середовищі. До них відносять більшість видів бактерій, що населяють нашу планету.

Паразити – це порівняно невелика група мікроорганізмів (0,1 %), які пристосувалися в ході еволюції до паразитичного способу життя; вони живляться за рахунок органічних сполук тварин і людини.

Основні механізми живлення бактерій:

1. Пасивна дифузія

2. Полегшена дифузія

3. Активний транспорт

4. Транслокація хімічних груп

5. Іонний транспорт.

Рис. 25. Пасивна дифузія

Пасивна дифузія функціонує тоді, коли створюється градієнт концентрації речовини всередині бактеріальної клітини та зовні. Вона відбувається пасивно, тому що не вимагає затрат енергії.

Піноцитоз

https://www.youtube.com/watch?v=P6-uQWo2M2M

Полегшена дифузія здійснюється за рахунок особливих білків – пермеаз, які містяться в цитоплазматичній мембрані. Цей процес також не вимагає енергетичного забезпечення.

Однак більшість поживних речовин, метаболітів, іонів проникають у клітину за допомогою активного транспорту. Його також забезпечують білки-пермеази, але вони є високоспецифічними й здатні переносити тільки певні субстрати. Цей процес відбувається за рахунок енергії, яку генерує клітина, тому можливий перенос і проти градієнта концентрації речовини. Якщо цьому процесу передує певна хімічна модифікація молекули, його називають транслокацією хімічних груп. Виділяють також механізм іонного транспорту, при якому відбувається перенос у клітину окремих неорганічних іонів.

Транспорт поживних речовин. Вбирання клітинами поживних речовин – досить складний процес. Одноклітинним найпростішим властивий голозойний тип живлення, що характеризується заковтуванням твердих частинок їжі, перетравлюванням і перетворенням їх у розчинні сполуки. Бактеріям, водоростям, грибам, рослинам властивий галофітний тип живлення; вони вбирають живильні речовини в розчиненому вигляді.

Проте ця відмінність неістотна, оскільки клітини найпростіших, так само як і рослинних організмів, використовують розчинні у воді або клітинному соку живильні субстрати, а багато бактерій і грибів можуть засвоювати тверді живильні речовини, попередньо розщеплюючи їх зовнішнім перетравлюванням за допомогою екзоферментів. При дифузії розчинена речовина переміщується із зони високої концентрації за межами тіла бактеріальної клітини в організм бактерій доти, доки концентрація не стане однаковою.

Проходження розчинника через цитоплазматичну мембрану бактерій із зони нижчої концентрації розчиненої речовини в зону вищої концентрації відбувається в результаті осмосу.

1.2.2. Дихання бактерій

Рис. 26. Бактероїди

Як відомо, атмосферне повітря містить приблизно 78 % азоту, 20 % кисню і 0,03–0,09 % вуглекислого газу. Газоподібний азот використовується тільки азотфіксуювальнми бактеріями, СО₂ – єдине джерело вуглецю – утилізується літотрофними бактеріями. Кисень відіграє дуже важливу роль у метаболізмі більшості видів бактерій.

Дихання бактерій — це складний процес, що супроводиться виділенням енергії, потрібної мікроорганізмам для синтезу різних органічних сполук.

Усі бактерії за типом дихання поділяються на облігатні аероби, мікроаерофіли, факультативні анаероби та облігатні анаероби.

Поділ бактерій за типами дихання.

Облігатні аероби (збудники туберкульозу, чуми, холери) – мікроорганізми, для оптимального росту яких необхідно 21 % кисню.

Рис. 27.Азотофіксуючі бактерії

Облігатні анаероби (збудники правця, ботулізму, газової анаеробної інфекції, бактероїди, фузобактерії) – бактерії, які ростуть за відсутності вільного молекулярного кисню за рахунок процесів бродіння. Вони одержують кисень з органічних сполук у процесі метаболізму. Деякі з них не терплять навіть незначної кількості вільного кисню.

Факультативні анаероби (стафілококи, ешеріхії, сальмонели, шигели та інші) – пристосувались, залежно від умов середовища (наявності або відсутності кисню), переключати свої метаболічні процеси з використанням молекулярного кисню на бродіння та навпаки.

Мікроаерофіли (молочнокислі, азотфіксуючі бактерії) – особлива група мікробів, для яких концентрація кисню під час культивування може бути зменшена до 2 %. Вищі його концентрації здатні затримувати ріст.

Капнеїчні (збудник бруцельозу бичачого типу) – мікроорганізми, які потребують, крім кисню, ще й до 10 % вуглекислого газу.

Причиною шкідливої дії на бактерії молекулярного кисню є утворення перекису водню (Н₂О₂). Аеробні бактерії розщеплюють його за допомогою каталази, в анаеробів цього ферменту немає.

1.2.3. Ріст i розмноження мікроорганізмів

Будь-яка жива істота здатна до росту та розмноження.

Розмноження бактерій

https://www.youtube.com/watch?v=ysxZ8rM8Yj4

Під ростом розуміють координоване відтворення бактеріальних структур і відповідно збільшення маси мікробної клітини. Розмноження – це здатність мікробів до самовідтворення, при цьому збільшується кількість особин у популяції на одиницю об’єму середовища.

Рис. 28. Простий поділ бактерій

Рис. 29. Хламідії

Як правило, бактерії розмножуються простим поділом, що відбувається в різних площинах. Це спричиняє, наприклад, утворення різних морфологічних типів кокоподібних мікроорганізмів – диплококів, стафілококів, тетракоків, сарцин. Актиноміцети можуть розмножуватись шляхом фрагментації ниткоподібних клітин, брунькуванням. Можливо утворення клітин, подібних до спор, конідій. Облігатні внутрішньоклітинні паразити – хламідії –розмножуються, проходячи низку стадій: елементарні тільця, ініціальні тільця, проміжні тільця. Саме останні є тим джерелом, з якого формується нове покоління елементарних тілець. Тривалість циклу складає 40–48 годин. Мікоплазми також можуть утворювати особливі елементарні тіла, що здатні до розмноження фрагментацією або брунькуванням. Однак вони можуть розмножуватись і простим бінарним поділом. Швидкість розмноження бактерій залежить від багатьох факторів: віку культури, складу живильного середовища, його рН, окисно-відновного потенціалу, температури, аерації тощо. Бактерії розмножуються у геометричній прогресії.

Рис. 30. Мікоплазми

Якщо вважати, що за оптимальних умов бактерія подвоюється кожні 30 хвилин, то за годину їх буде 4, через дві години – 16, через 4–256, через 15 – мільйони. Через 35 год їх об’єм становитиме до 1000 м³, а маса – понад 400 т. Під час внесення у живильне середовище бактерії розмножуються за певними закономірностями. Вони ростуть і розмножуються, досягаючи певного максимуму до того часу, поки не будуть вичерпані запаси живильних речовин. Якщо не видаляти кінцеві продукти обміну і не додавати необхідні речовини, то можна одержати періодичну культуру (популяція в обмеженому просторі). Мікроорганізми в такій культурі ведуть себе як багатоклітинні системи з генетично обмеженим ростом.

Ріст і розмноження паличок бактерій під мікроскопом

https://www.youtube.com/watch?v=FvoU82BkaNA

Основні фази росту мікробної популяції на рідких поживних середовищах.

Крива, яка описує залежність логарифму числа живих клітин від часу культивування, називається кривою росту.

Розрізняють чотири основні фази росту періодичної культури: початкову (або лаг-) – 1, логарифмічну  – 2, стаціонарну – 3 та відмирання – 4.

Рис. 31. Крива росту бактерій

За сприятливих умов період до появи 1-ї генерації (покоління) у Clostridium perfringens, Streptococcus lactis становить 15 хв, тоді як для клітин культур тканин ссавців – 1 добу. Отже, бактерії розмножуються майже в 100 раз швидше, ніж клітини культури тканин. Збільшення кількості клітин виражають так: 1–2–4–8–16–32.. .N – кількість клітин; 0–1–2–3–4–5...п – кількість генерацій.

Виділяють вісім основних фаз розмноження бактерій.

Вихідна стаціонарна фаза – це час від моменту висівання бактерій до початку їх росту. У цій фазі кількість живих бактерій може навіть зменшуватись. Тривалість її 1–2 год.

Фаза затримки розмноження характеризується підвищенням швидкості збільшення розміру бактерій (швидкості росту) і слабким розмноженням. Фази І і II звичайно об'єднують в одну лаг-фазу.

Експоненціальна (логарифмічна) фаза характеризується тим, що логарифм кількості клітин збільшується лінійно залежно від часу, клітини поділяються з максимальною сталою швидкістю. У цій фазі бактерії мають найбільшу біохімічну і біологічну активність, мінімальну резистентність до факторів зовнішнього середовища. Тривалість цієї фази 5–6 год.

Фаза негативного прискорення, під час якої швидкість розмноження бактерій перестає бути максимальною, кількість особин, що поділяються, зменшується; триває близько 2 год.

Стаціонарна фаза максимуму, коли кількість нових бактерій майже дорівнює кількості відмерлих; тривалість її 2 год.

Фаза прискорення загибелі, протягом якої настає порушення рівноваги між стаціонарною фазою і швидкістю загибелі бактерій; триває 3 год.

Фаза логарифмічної загибелі, коли особини відмирають із сталою швидкістю; триває близько 5 год.

Фаза зменшення швидкості відмирання – особини, що залишаються живими, переходять у стан спокою; тривалість цієї фази також близько 5 год.

Тривалість окремих фаз наведена умовно, оскільки вона може варіювати залежно від виду бактерій. Так, наприклад, Е.соli ділиться через кожні 20–30 хв, сальмонели – через 23 хв, патогенні стрептококи – через 30 хв, коринебактерії – через 34 хв, мікобактерії туберкульозу – через кожні 18 год.

Найпростіший цикл розвитку характерний для кокоподібних бактерій. Він зводиться в них до росту клітини та її наступного поділу.

1.2.4. Фактори росту

Поряд з пептонами, вуглеводами, жирними кислотами й неорганічними елементами бактерії потребують спеціальних речовин – факторів росту, що відіграють роль каталізаторів біохімічних процесів клітини і є структурними одиницями під час утворення деяких ферментів.

Рис. 32. Ріст бактерій на живильних середовищах

Одні бактерії не потребують добавляння до поживного середовища вітамінів, оскільки самі можуть їх синтезувати, інші — погано ростуть або зовсім не культивуються (наприклад, гемолітичні стрептококи) в безвітамінних середовищах. Так, Haemophilus influenzae потребує для свого росту складних речовин, які є в крові: Х-фактора і Y-фактора (коензим ферменту дегідрази).

До вітамінів і вітаміноподібних речовин, які потрібні для розвитку бактерій, належать біотин, тіамін (вітамін B1, рибофлавін (вітамін В2), пантотенова кислота (вітамін ВР), холін (вітамін В4), нікотинова і фолієва кислоти та їх похідні, піридоксин (вітамін BJ, ціанокобаламін (вітамін В12) та його похідні — кобамідні коферменти, а також параамінобензойна кислота (Hj), нікотинова кислота, В-аланін. Факторами росту є також пурини, піримідини, жирні кислоти та інші речовини.

Концентрація факторів росту в живильному середовищі виражається в мікрограмах, потреба в них коливається в межах 0,1–10 мкг/мл. Надлишок вітамінів затримує ріст мікроорганізмів.

Значення неорганічних речовин у живленні бактерій. Калій має каталітичну дію, активує ферментні системи бактерій; кальцій бере участь у нітрифікації, фіксації азоту ґрунтовим мікроорганізмом (азотобактером), утворенні желатинази.

Важливе значення в життєдіяльності бактерій мають фосфор, сірка, магній, залізо. Доведено, що залізо є в дихальних ферментах і виконує функцію каталізатора окислювальних процесів; воно – необхідний елемент хімічного складу мікобактерій туберкульозу, коринебактерій дифтерії, Е. соlі та ін. Вміст фосфору в бактеріях коливається від 1,5 до 4,5 % сухого залишку; у мікобактерій його значно більше.

Іони заліза, цинку, магнію, міді та інших мікроелементів відіграють важливу роль в утворенні актиноміцетами антибіотиків. Іони магнію, марганцю активують ДНК-азу гемолітичного стрептокока. Мікроелементи входять до складу активних груп деяких ферментів.

Бактеріальна клітина використовує живильні субстрати для синтезу складових частин свого тіла, ферментів, пігментів, факторів росту, токсинів, відкладання резервного матеріалу й утворення енергії, за рахунок якої вона існує.

1.2.5. Вплив на мікроорганізми температурних факторів

У лабораторних умовах бактерії вирощують на живильних середовищах. Важливе значення для росту й розмноження бактерій мають температурні умови. Щодо температурного режиму всі мікроорганізми поділяються на психрофільні (холодолюбні), мезофільні (середні), термофільні (теплолюбні) (табл.1). Бактерії можуть розмножуватись у широкому діапазоні температур – від 0 °С до 90 °С.

Таблиця 1

Диференціація мікроорганізмів щодо температурного режиму

Мікроорганізми	Температурні межі розмноження, °С	Місце існування
Психрофільні	0–20	Водоймища холодних морів та океані, грунт полярних регіонів і мерзлоти,організм тварин і людини.
Мезофільні Термофільні	20–45 45–70	Верхні шари ґрунту, гарячі джерела, гній, торф, відходи бавовни

Питання для самоконтролю

1. Що таке аутотрофи?

2. Які є основні механізми живлення мікроорганізмів?

3. Що лежить в основі процесу дихання?

4. Назвіть типи дихання бактерій

5. Як розмножуються бактерій?

6. Що таке мікроаерофіли?

7. Яке значення неорганічних речовин у живленні бактерій?

8. На які групи поділяються мікроорганізми залежно від впливу до температури?

Попередня тема

На початок

Наступна тема