А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Активность воды зависит как от самого ее наличия, т.е. от степени высушивания, так и от количества растворенных в ней веществ. Одни микроорганизмы не способны расти на твердых средах, а другие, называемые ксерофилами, растут при низких значениях а„. В природе такие местообитания есть в пустынях и горах. К тому же там активность воды может резко меняться в течение суток (в ночное время выпадает роса и а„= 1). В табл. 5 даны примеры микроорганизмов, живущих при разных активностях воды в соответствующих им местообитаниях. Поскольку микроорганизмы отделены от окружающей среды полупроницаемой мембраной, в гипотонических растворах вода будет стремиться по градиенту концентраций растворенных веществ внутрь клетки, и нужно приложить определенную силу (осмотическое давление), чтобы предотвратить поступление воды в клетку. У грамположительных бактерий осмотическое давление может достигать в разбавленных растворах 20 атм и более.
В гипертонических растворах имеет место обратное явление (»отсасывание» воды из клеток), вызывающее нлазмолиз. В общем случае, 1 М раствор любого соединения, если оно не диссоциирует, создает давление 22,4 атм (например, 10%-й раствор сахарозы (0,29 М) — 6,5 атм, 10%-й раствор )чаС! (1,724 М)— 77 атм). Для развития организмов без клеточной стенки применяют изотонические растворы. Высокие концентрации солей и сахаров давно используются для консервирования пищевых продуктов. В природе высокие концентрации разных солей есть в Мертвом море, соленых озерах, солонцах, содовых озерах, солеварнях.
Микроорганизмы, способ- 86 Таблица 5 Субетраты е разными значениями активности воды и микроорганизмы, обитающие на них Материал Микроорганизмы Саийбастег, 5риИЬтт 1,000 Чистая вода Б~геракоссиз, ЕтслепсЬГа 0,995 Кровь человека Ртеийююолаз, )Жибао 0,980 Морская вода 0,950 Хлеб Грамположнтельные палочки 0,900 Ветчина. кленовый сироп Грамположнтельные кокки Салями .тасслалюяуси атил 7 0,850 Фрукювые джемы гелтсНЬтитл 0,800 НаЫастелилг, На7ттссссюз 0,750 Соленая рыба, соленые озера Хелтювств Ь)яхютлз, ксерофнльные грибы 0,700 — 0,600 Кукурузные хлопья, сухофрукты, конфеты Таблица б Коииевтраини некоторых ионов внутри н вне клеток галофнльимх микроорганизмов (на примере На$оЬасгеттнт сногнЬпив) 87 ные существовать в растворах с высокой концентрацией веществ, называются осмофилами.
Наиболее изучены такие микроорганизмы по отношению к концентрации 1ЧаС1, их называют галофилалти и подразделяют на группы: галотолерантные — до 2,0 М )ЧаС1, но могут расти и без соли (5тгертососсиз); слабогалофильные — 0,2 — 0,5 М )ЧаС1; среднегалофильные — 0,5 — 2,5 М )ЧаС! (морские бактерии); экстремально галофильные — 2,5 — 5,2 М 1ЧаС! (до насыщенных растворов, галоархеи). Рассмотрим особенности галофильных микроорганизмов, которые позволяют им существовать при высоких концентрациях Таблица 7 Совместимые растворителя (осмолиты), образуемые микроорганизмами Совмесгимый раетеоритель Организмы Минимальная а„ 0,97 — 0,90 Бакгери и-нефоточрофы Глицин-бетаин, пролин (у грамположительных), глугамат (у грамотрица- тельных) Пресноводные цианобакгерии Сахароза, трегалоза 0,98 0,92 Морские цианобакгерии а -Гликозил-глицерол Маннитал, пролин, глико- зиды, диметилсульфон- пропионат Морские водоросли 0,92 Глицин-бетаин 0,90 — 0,75 Цианобактерии соленых озер 0.90 — 0.75 Глицин-бетаин, трегалоза, эктоин Экстремально галофильные археи 0,75 КС1 (закачивается внутрьс обменом на !з!аС!) 0,75 (возавег7о (галофильная зеленая водоросль) Глицерол 0,83 — 0,70 Ксерофильные дрожжи Глицерол 0,83 — О,б2 Ксерофильные нитчатые грибы Глицерол СНз 1 СНз Х СНз СООН 1 СНз Глицин-бетаин салери Известно, что многие внутриклеточные компоненты этих микроорганизмов нуждаются в высоких концентрациях )Ча' и К'.
Например, у На!оЬасгеггит сигггиЬгит активность аспартапранскарбамилазы при 3,5 М 1з(аС! в 4 раза выше, чем при 2 М )ь!аС1. Белки галофилов содержат много аспартата и глутамата„т.е. они более «кислые», в белках устанавливаются новые гидрофобные 88 Галофильные аноксигенные фототрофные бактерии ЕстогЬзогЬоегозрзго СН Эктоин )ЧН СН, 1 1 СНз — С СН вЂ” СОО ~\ взаимодействия, приводящие к более плотной упаковке глобул. На поверхности клеток работает механизм «белкового щита» (Б-слои), когда наружу экспонируются СООН-группы аминокислот, удерживающие Ха'.
Эти же группы формируют «гидратированную» оболочку клеток за счет электростатического ориентирования диполей воды. Галофилы осуществляют активный транспорт ионов из клетки, таким образом поддерживая некоторый «осмостаз». Данные табл. 6 показывают, что иногда клетки заменяют 1Ча' на К'. Удерживание воды у галофилов осуществляется путем синтеза совместимых растворителей (асмалитов), нейтральных по отношению к метаболитам клетки. Иногда такие вещества образуются в значительных количествах. Например, РипаИеПа ипйз накапливает глицерола до 30% от массы клетки. Это свойство применяют для промышленного получения глицерола.
Для разных микроорганизмов известны разные совместимые растворитсли (табл. 7). Совместимые растворители хорошо удерживают воду, поэтому возможно их применение в косметической промышленности в составе увлажняющих кремов (эктоин из галофильных аноксигенных фототрофов). В заключение необходимо заметить, что часто невозможно разграничить эффекты, вызванные собственно снижением влажности и наличием высокой концентрации растворенных веществ.
Ясно, что эти факторы взаимосвязаны. Показатель кислотности среды [рН) Показатель кислотности среды (рН) изменяется от 0 до 14. В кислой среде в водных растворах преобладают ионы гидроксония Н,О', в щелочной — гидроксила ОН . Концентрация водородных ионов воздействует на ионное состояние и, следовательно, на доступность для клетки многих метаболитов, так как в незаряженном состоянии они легче проникают через мембрану. В табл. 8 представлены субстраты, отражающие всю шкалу рН, и микроорганизмы, способные к активному существованию при таких рН. По отношению к оптимальным для роста значениям рН микроорганизмы подразделяют на ацидофильные (Π— 5,5), нейтрофильные (5,5 — 8,0) и алкалифильные (8,5 — 11,5).
Большинство бактерий и простейших — нейтрофилы, грибы и водоросли, в целом, предпочитают низкие значения рН, цианобактерии растут при высоких рН. Несмотря на экстремальные значения рН в окружающей среде, значение внутриклегочного рН достаточно постоянно. У растительных клеток реакция цитоплазмы слабокислая (5,0 — 6,0), 89 Таблица 8 Распределение групп микроорганизмов в соответствии с кнслотпостьго среды их обитания Субстрат РН Микроорганизмы 0,5 — 1,0 Вулканические воды и почвы Археи (обычно еше и экстремальные термофилы) Желулочиый сок НерсоЬасгег руЬп 1,5 Лимонный сок Шахтные волы СерЬаЬи)хлз иль ,жгссЬалллусез, Сапг()гга, Ва Ьриз, АсгггггЬгоЬасП(из, 5и(го(ойгз, 7)гегглор/арпа, термофильиые вопоросли (миогие используют восстановленные соединения серы) 2,0 2,0 в 2,5 Разбавленный уксус 3,0 Ревень, персик 3,5 Кислая почва Томаты 4,0 4,5 5,0 Кислотные дожди 5,3 5,5 Горох 6,0 Большинство микроорганизмов 6,5 Чистая вода Морская вода 7,0 7,8 Шелочные почвы 8,8 Цианобактерии д гглзгооилгал, гтуглзЬасгег, гнилостные бактерии рода Васйиз, пурпурные бактерии рода Есгогй(огЬог)оллга Шелочиые озера Мыльные растворы 10,0 10,5 Нашатырный спирт 11,0 Насыщенный раствор извести 12,0 Уробактерии 90 у животных — 7,0.
У алкали- и ацидофильиых микроорганизмов рН цитоплазмы поддерживается на уровне 7,5. Постоянству внутри- клеточного рН способствует малая проницаемость мембраны для протонов. Однако, поскольку протоны все-таки медленно диффуидируют по градиенту, клетка использует энергозависимые механизмы выброса протонов. У апкалифильиых микроорганизмов клетка не может использовать протонный градиент для синтеза АТФ, и для запасания энергии служит электрическая составляющая. При небольшом закислении бактерии используют антипорт протонов с Ха' и К'. При скачкообразном падении рН включается синтез специальных шаперонов (белков «кислотного шока»).
Они предотвращают кислотную денатурацию белков и восстанавливают конформацию уже денатурированных белков. В процессе развития микроорганизмы могут изменять рН среды, образуя кислые или шелочные продукты. Например, Е. со!) реагирует на повышение кислотности синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в результате амины подщелачивают среду. Наоборот, повышение рН среды стимулирует синтез дезаминаз аминокислот, что ведет к подкислению среды. Такие механизмы есть обычно у рН-толерантных микроорганизмов. Яркий пример регулирования рН среды бактериями — двухфазный процесс ацетоно-бутилового брожения (см. гл.
6). Температура Предел жизнеспособности организма определяется наличием жидкой воды. Клетки некоторых микроорганизмов остаются жизнеспособными при минусовых температурах, если к воде добавить антифриз. Так как местообитаний, где создаются экстремально низкотемпературные условия не так много, большинство организмов имеет низший температурный предел О 'С. Существовать же (переживать) микроорганизмы могут и при -!96 С (и даже при -273'С).
Поэтому таким глубоким замораживанием часто пользуются для хранения культур под жидким азотом или в лиофилизированном состоянии. Нижние пределы роста по температуре ограничены температурой «застывания» мембраны, когда она теряет свои функции, а верхние — тепловой денатурацией жизненно важных молекул. К низкотемпературным местам обитания относятся регионы Арктики, Антарктики, тундра, глубины океанов, где температура имеет постоянное значение около+4'С. Высокотемпературные места обитания — гейзеры, вулканические источники, горячие источники, «черные курильщики»вЂ” выход вулканических горячих газов на разломах земной коры в глубинах океанов, где температура при высоком давлении может достигать +360 'С.
Анализ состава жизненных форм при низких и высоких температурах показывает, что в экстремальных по температуре обитаниях, в целом, преобладают более просто устроенные формы, а из них — прокариоты и нефототрофы. 91 Таблица 9 Группы микроорганизмов с разными температурными пределами роста Необходимо отметить, что существуют искусственно созданные экстремальные по температуре места обитания: морозильные камеры, ферментеры, автоклавы. В табл. 9 приведена классификация микроорганизмов в зависимости от температурных пределов роста.
Кривая зависимости скорости роста от температуры — определенная для каждого организма. При этом действует закон Я<,. при возрастании температуры на 1О С скорость реакции увеличивается в 2 — 4 раза. При переходе через оптимальную температуру рост существенно замедляется. Распределение микроорганизмов по температуре представлено на рис. 7! . К пеихрофильным микроорганизмам относят представителей родов Ргеи()отопаз, Ибпо, Ае7(гото7таегег, НаиоЬаегепит, СугорЬг(еа, дрожжей, мицелиальных грибов, некоторых групп водорослей (в Антарктике найдена СЫати1отопит пЬаЪ, растущая при — 36'С1).
' 0,7 0,6 а 0,5 Й е 0,4 и 0,3 0,2 0,1 о 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 ЯО 90 100 110 120 Температура, С Рис. 71. Температурные пределы микробного роста: 1 — психрофилы; 2 — психротрофы; 3 — мезофилы; 4 — термофилы; 5 — экст- ремальные термофилы 92 Таблица 1О Высшие температуриые пределы жизпедеятельиостп разпых групп организмов У таких микроорганизмов обнаружен особый состав мембран с пониженной точкой замерзания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
