ЕПІЗООТОЛОГІЯ З МІКРОБІОЛОГІЄЮ

I частина

Електронний посібник

Головна

Теоретичні відомості

Анотація

Додатки

Укладачі

Список використаних джерел

3. Фізіологія мікроорганізмів

3.1. Хімічний склад і живлення мікробів

3.2. Дихання мікробів

3.3. Ферменти мікробів

3.4. Токсини, пігменти, світіння. Ароматичні мікроби

3.5. Розмноження та ріст мікробів

3.1. Хімічний склад і живлення мікробів

У кожному живому організмі, зокремв й у мікробному, постійно відбувається обмін речовин з навколишнім середовищем. Для існування мікроорганізмів потрібні певні умови, і в першу чергу живильне середовище, з якого мікроорганізми будують своє тіло і внаслідок окислення живильних речовин дістають потрібну для них енергію.

До складу мікробної клітини входить у великій кількості вода (80–85 %) і 15–20 % сухих речовин. У сухій речовині мікробних клітин містяться так звані органогени — вуглець, азот, водень та кисень, з яких утворюються складні органічні' сполуки, що становлять 90–97 % всієї сухої речовини мікробної клітини. Крім названих елементів, у мікробній клітині є фосфор, калій, натрій, магній, кальцій, сірка, залізо, іноді в незначній кількості мідь, цинк, марганець, кобальт, молібден, а також вітаміни та інші елементи і сполуки, що мають важливе значення в обміні речовин клітини; є мікроби, здатні використовувати для живлення нафту, гас, парафін, мило та ін. 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.

Рис. 3.1. Ціанобактерії – автотрофи

Рис. 3.2. Monotropastrum humile, облігатний міко-гетеротроф

Рис. 3.3. Эвглена зелёная – міксотроф

Метаболізм бактерій охоплює два протилежних і разом з тим єдиних процеси: конструктивний і енергетичний обмін речовин. Конструктивний обмін речовин відбувається з вбиранням вільної енергії. Для цього типу обміну витрачається порівняно мало поживного матеріалу, що споживається клітиною. Енергетичний обмін речовин забезпечує перетворення енергії у форму, доступну для засвоєння її клітиною. На здійснення цього процесу витрачається величезна маса поживних субстратів. Продукти неповного окислення субстрату потрібні для бактерій не тільки як джерело енергії, а й як матеріал для побудови їх клітин.

Основні механізми живлення бактерій: пасивна дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, транслокація хімічних груп, іонний транспорт.

За способом живлення (конструктивним обміном) мікроорганізми поділяють на дві основні групи: автотрофи і гетеротрофи.

Автотрофи (від грецьк. Авто – сам, трофео – живлю) використовують вуглець з вуглекислоти повітря або карбонатів, азот - з атмосфери, аміаку або інших неорганічних сполук азоту, а інші елементи – з навколишнього середовища. За рахунок цих простих сполук вони синтезують свої білки, ліпіди, вуглеводи, вітаміни, ферменти, цитоплазму, клітинні структури та нуклеїнові кислоти.

Гетеротрофи (від грецьк. гетеро – інший, трофео – живлю) – найчисленніша група мікроорганізмів, що використовує вуглець з органічних сполук, а азот – з нативного білка, амінокислот, неорганічних сполук азоту та з повітря.

Гетеротрофи, в свою чергу, поділяються на метатрофи (сапрофіти), що живуть за рахунок неживих органічних речовин (гнильні мікроби), та паратрофи (паразити), які використовують для живлення живий білок, паразитуючи у живих тканинах тварин і рослин. Збудники інфекційних хвороб належать до паратрофів.

Основу механізму живлення гетеротрофів становить осмотичний тиск. Через напівпроникну оболонку із зовнішнього середовища до мікробної клітини надходить вода і розчинені в ній живильні речовини, через неї ж частково виділяються непотрібні метаболіти. У мікробній клітині синтезуються білки та інші речовини, які й зумовлюють її життєздатність.

Мікробні клітини здатні пристосовуватися до навколишнього середовища і залежно від цього можуть змінювати до певної міри тип живлення.

3.2. Дихання мікробів

Дихання у бактерій – це складний процес окислення різних, здебільшого органічних сполук, що супроводиться виділенням теплової енергії. Мікроорганізми здійснюють найрізноманітніші окислювальні процеси за допомогою різних ферментів, що активують як окислені субстрати, так і молекулярний кисень (М. В. Федоров).

Процеси дихання в бактерій є довгим ланцюгом послідовних окислювально-відновних реакцій за участю багатьох ферментативних систем, які здійснюють перенесення електрона від системи з найбільшим негативним потенціалом до системи з найбільшим позитивним потенціалом. За поступового і дробного вивільнення енергії дихання і проміжного перенесення водню підвищується активність реакції клітини. Біохімічні механізми дихання докладніше описано в підручниках біологічної хімії.

Уявлення про дихання як процес біологічного окислення органічних речовин киснем зазнало значних змін у зв'язку з відкриттям анаеробних бактерій, які не можуть існувати в присутності кисню. Л. Пастер довів, що енергія, потрібна для життєдіяльності деяких видів бактерій, утворюється в процесі бродіння.

Залежно від способу забезпечення киснем мікроби умовно поділяють на аеробні та анаеробні. Аеробні мікроби для окислювальних процесів використовують кисень повітря. Анаеробні забезпечують себе киснем у результаті розщеплення органічних сполук. Анаероби умовно поділяють на облігатні, що живуть тільки за відсутності кисню та факультативні, які здатні розмножуватись і в аеробних умовах.

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

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

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

Мікроаерофіли (молочнокислі, азотфіксувальні 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.

Рис. 3.4. Збудник туберкульозу - облігатний аероб

Рис. 3.5. Збудник правця – облігатний анаероб

Рис. 3.6. Ешеріхії – факультативні анаероби

Рис. 3.7. Молочнокислі бактерії – мікроаерофіли

Рис. 3.8. Збудник бруцельозу – капнеїчні мікроорганізми

У процесі дихання аеробні бактерії окислюють різні органічні речовини (вуглеводи, білки, жири, спирти, органічні кислоти та інші сполуки).

Типовим представником факультативних анаеробів є кишкова паличка, яка у вуглеводному середовищі спочатку розвивається як анаероб, розщеплюючи вуглеводи бродінням, потім починає споживати кисень і росте як аероб, окислюючи продукти бродіння (молочна кислота) до вуглекислого газу і води. Факультативні анаероби мають значні переваги, але вони можуть жити як у кисневих, так і в безкисневих умовах.

Дихання анаеробів відбувається за допомогою ферментації субстрату з утворенням невеликої кількості енергії. Наявність облігатних анаеробів пояснює значну пристосовуваність живих істот і повноту кругообігу речовин у природі. Дихають бактерії за участю ферментів типу оксидаз і дегідраз, які мають виражену специфічність дії. Оксидазний і дегідразний процеси дихання тісно зв'язані між собою, доповнюючи один одного, але разом із тим різні як щодо біологічної ролі, так і щодо ферментів, які здійснюють ці реакції.

3.3. Ферменти мікробів

Біохімічні процеси, що відбуваються в мікробних клітинах, а також у навколишньому середовищі, зумовлюються наявністю особливих речовин — ферментів (ензимів). Ферменти беруть участь у розщепленні і синтезі речовин, причому той самий фермент, залежно від умов, може брати участь у процесах протилежного характеру. Ферменти специфічні, виявляють свої властивості по відношенню до певних біохімічних процесів. Вони нестійкі проти впливу несприятливих зовнішніх факторів: руйнуються за високої температури, а також під впливом лугів, кислот, солей важких металів та ін.

Мікробна клітина містить значну кількість ферментів. Ферменти бактеріального походження мають різноманітну дію і високу активність. Їх широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, медицині, і вони поступово витісняють ферментні препарати, які дістають із вищих рослин і тварин.

За допомогою амілази, що продукується плісеневими грибами, оцукрюється крохмаль, який використовується в пивоварінні, спиртовому виробництві, хлібопеченні. Протеїнази, які виробляють мікроорганізми, застосовують для видалення волосяного покриву з шкур тварин, м'якшення шкір, хімічної чистки одягу; ферменти, що гідролізують клітковину, сприяють кращому засвоєнню тваринами грубих кормів. Бактерії відіграють важливу роль під час обробки каучуку, бавовни, шовку, кави, тютюну; під їх впливом відбуваються процеси, які істотно змінюють у потрібному напрямі названі речовини.

Завдяки застосуванню бактеріальних ферментів у медичній промисловості дістають алкалоїди, полісахариди, стероїди (гідрокортизон, преднізон, преднізолон та ін.).

Ферменти забезпечують засвоєння деякими мікроорганізмами метану, бутану, інших вуглеводнів і синтез із них складних органічних сполук. На основі реалізації ферментативної властивості дріжджів, що культивуються на відходах нафти (парафінах), у спеціальних промислового типу установках дістають білково-вітамінні концентрати (БВК), які використовують у тваринництві як цінну поживну речовину, що додають до грубих кормів.

Рис. 3.9. Модель фермента нуклеозидфосфорилази

Одні ферменти (ензими) виділяються бактеріальною клітиною у навколишнє середовище (екзоферменти) для розщеплення складного колоїдного поживного субстрату (вони проходять крізь бактеріальні фільтри), інші – містяться всередині клітини (єндоферменти), вони нерозчинні у живильному середовищі.

Розрізняють конструктивні ферменти (ліпази, карбогідрази, протеїнази, оксидази та ін.), які постійно перебувають у клітині незалежно від умов її існування, та індуктивні, або адаптивні (пеніциліназа, декарбоксилаза амінокислот, лужна фосфатаза та ін.), що синтезуються, коли є потреба в них; вони виникають тільки в присутності відповідного субстрату. Синтез індуктивних ферментів відбувається внаслідок присутності у клітинах вільних амінокислот і за участю наявних у бактеріях готових білків.

Для нормального розвитку і функціонування типової бактеріальної клітини потрібно 1000–4000 ферментів, які забезпечують активний транспорт поживних речовин у клітину з навколишнього середовища, регулюють перетворення енергії у клітині, здійснюють біосинтез амінокислот і нуклеотидів, білка і нуклеїнових кислот, реплікацію із сегрегацією нуклеоїдного апарату, цитогенез, біосинтез ліпідів.

Важливого значення надають специфічній ферментативній властивості патогенних бактерій, на основі якої визначають видову належність збудників. Багато бактерій ферментують вуглеводи з утворенням кислоти або кислоти і газу, а білки – з утворенням індолу, аміаку, сірководню та ін. Ферментативні особливості мікроорганізмів використовують під час вивчення мікрофлори ґрунту, води і повітря.

3.4. Токсини, пігменти, світіння. Ароматичні мікроби

Патогенні мікроби в процесі своєї життєдіяльності виробляють особливі отруйні речовини – токсини, дія яких спричинює хворобливий стан тварин і людини. Розрізняють екзотоксини – отруйні речовини, що виділяються мікробами зовні, та ендотоксини, які тісно зв'язані з мікробною клітиною і вивільняються лише із її розпадом. Специфічною властивістю токсинів є те, що вони спричинюють певні захворювання (правцевий токсин – правець, токсин ботулізму – ботулізм та ін.).

Рис. 3.10. Пігменти мікробів

Деякі види мікробів утворюють пігменти різних кольорів. Наприклад, червоний пігмент утворюється в культурі чудова паличка, синій пігмент – синьогнійна паличка, жовтий – стафілококи, сарцини та ін., фіолетовий пігмент, чорні й бурі пігменти – деякі дріжджі та гриби тощо.

Рис. 3.11. Продукція синьо зеленого пігменту синьогнійною паличкою

Рис. 3.12. Фосфоресценція, флюоресценція

Окремі мікроорганізми мають здатність до світіння – фосфоресценції та флюоресценції. Вони дуже поширені і зумовлюють світіння трухлявого дерева, риби, м'ясних туш, морської води та інших об'єктів. Описані десятки коків, паличок та вібріонів, що світяться.

У складеному в бурти гною розвивається висока температура (60–75 °С). Це явище є наслідком життєдіяльності термогенних мікробів і широко використовується у ветеринарній практиці для біотермічного знезараження гною при інфекційних захворюваннях тварин і птиці.

Деякі види мікроорганізмів у процесі життєдіяльності виділяють ароматичні речовини – складні ефіри. Їх нерідко використовують для надання приємного запаху винам та деяким харчовим продуктам, особливо маслу.

3.5. Розмноження та ріст мікробів

Будь-яка жива істота здатна до росту та розмноження. 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

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. 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. При внесенні 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.

Швидкість розмноження бактерій у популяції різна. Вона залежить від виду і віку культури, живильного середовища, температури, концентрації вуглекислого газу та багатьох інших факторів.

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.

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. соїі ділиться через кожні 20–30 хв, сальмонели черевного тифу – 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.

Паличкоподібні безспорові бактерії мають цикл розвитку, подібний до циклу розвитку коків: молоді клітини в міру росту збільшуються, досягають максимуму й потім поділяються поперечним способом на дві дочірні клітини, які проходять той самий цикл. У бацил і клостридій до циклу розвитку за певних умов включається спороутворення.

Хламідобактерії мають складніший цикл розвитку: клітини їх перетворюються у довгі нитки, деякі з них утворюють спеціальні органи розмноження — гонідії, які надалі проростають і дають початок новим клітинам і ниткам.

Цикл розвитку актиноміцетів має дві стадії: 1) вегетативного росту, для якої характерне утворення міцелію; 2) плодоношення з утворенням спор, які формуються на спіральних або прямих вітках – спороносцях.

Міксобактерії характеризуються порівняно складним циклом розвитку: вегетативні клітини паличкоподібної форми змінюються в них овальними або кулястими мікроцистами; клітини утворюють плодові тіла з особливою будовою плодоносців.

Рис. 3.13. Характеристика колоній

На щільних живильних середовищах (МПА, МПЖ) при засіві різних видів мікробів утворюються мікроскопічні скупчення – колонії різного розміру, форми і зовнішнього вигляду. Колонії розглядають як результат розмноження однієї або кількох мікробних клітин. Розмір колоній у різних видів бактерій може бути різним – від десятих часток до 5 мм, рідко більше. Колонії можуть бути гладенькі або зморшкуваті, з рівними або нерівними краями, слизові й крихкі та ін. Характер росту мікробів на живильних середовищах є підставою для диференціювання їх видів.

Питання для самоконтролю

1. На які групи поділяються мікроорганізми за типом живлення?

2. Хто такі сапрофіти?

3. Як класифікуються бактерії за типом дихання?

4. Яке значення для мікроорганізмів мають ферменти?

5. Що таке токсини?

6. Що таке термогенні бактерії?

7. Дайте визначення поняттю «ріст»?

8. Дайте визначення поняттю «розмноження»?

9. Які фактори впливають на швидкість розмноження бактерій?

10. Що таке колонії мікробів?

Попередня тема

На початок

Наступна тема