Лекция Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов

Вопросы:

1. Отношение микроорганизмов к О₂.

2. Влияние t на жизнедеятельность микроорганизмов.

3. Отношение микроорганизмов к рН среды.

4. Влияние водной активности на микроорганизмы.

5. Влияние гидростатического давления на микроорганизмы.

6. Влияние излучения на микроорганизмы.

7. Взаимодействие тяжелых металлов с микроорганизмами.

Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывают постоянное давление со стороны окружающей среды. У микроорганизмов воздействию окружающей среды открыта вся наружная поверхность клетки.

Однако именно микроорганизмы могут существовать в гораздо более суровых условиях, чем другие формы жизни. Микроорганизмы могут жить и размножаться в анаэробных условиях, встречаются в горячих кипящих источниках, кислых и щелочных источниках, на дне морей и океанов, где давление порядка 1000 атм., а температура +3-+4°С, в гипергалинных водоемах, где высокое содержание солей (Мертвое море). В оз. Дон-Жуан в Антарктиде, где концентрация СаCl₂ ~ 45%, из-за чего озеро замерзает при t ниже -48°С, из живых организмов обнаружены только бактерии и дрожжи (все галофилы); фотосинтетическая активность в озере не обнаружена.

Есть микроорганизмы, устойчивые к ртути, встречаются в месторождениях ртутной руды; к тяжелым металлам.

Прокариоты способны существовать в гораздо более широком диапазоне изменяющихся условий внешней среды, чем эукариоты.

1. Отношение микроорганизмов к о2

Молекулярный кислород как фактор внешней среды действует на современные микроорганизмы двояко. С одной стороны, он необходим для дыхания, как акцептор электронов. С другой стороны, молекулярный кислород является сильным окислителем и опасен для клетки. О₂ – это главный окислитель в природе (а главные восстановители – Н₂ и Н₂S). Агрессивное действие О₂ связано с его способностью окислять клеточные метаболиты. К О₂ чувствительны многие ферменты бактерий, например нитрогеназа, катализирующая N₂.

Опасен не только О₂, но и его производные – формы неполного восстановления О₂, которые возникают в процессе биологических реакций и под действием физико-химических факторов. Для полного восстановления О₂ до воды требуется 4 электрона: О₂ + 4Н⁺ + 4 е → 2 Н₂О.

Процесс восстановления О₂ может идти ступенчато, в результате возникают разные промежуточные формы:

1. супероксидный анион (О₂ֿ это отрицательно заряженный радикал – сильный окислитель, высокореакционная форма кислорода, представляет большую опасность для организмов);

2. гидроксидный радикал (ОН· - обладает еще большей активностью и токсичностью);

3. синглентный кислород (*О₂ – кислород в возбужденном состоянии – наиболее активная, реакционная форма кислорода; неконтролируемые реакции окисления могут привести к разрушению компонентов клетки);

4. перекись водорода (О₂ + 2 е + 2Н → Н₂О₂) – это наиболее стабильный, но и менее токсичный из всех промежуточных форм восстановления кислорода – образуется у всех бактерий, растущих в присутствии кислорода;

5. озон образуется из молекулярного и атомарного кислорода: О₂ + О → О₃ (О₂, поглощая УФ с λ=160-240 фотодиссоциирует: О₂ → 2 О). И атомарный кислород, и озон – сильные окислители.

Для обезвреживания (детоксикации) этих продуктов в клетках вырабатываются ферменты:

1. для детоксикации супероксидного аниона - О₂ֿ - супероксиддисмутаза;

2. для разрушения Н₂О₂ каталаза и пероксидаза. Перекись быстро разлагается.

3. защита от синглентного кислорода – каротиноидные пигменты. Каротиноиды химически связываются с ним.

В отношении степени токсичности самого О₂ в клетке остается много неясного.

По отношению к О₂ можно выделить следующие группы:

О₂

▼ ▼

аэробы анаэробы

▼ ▼ ▼ ▼

облигатные облигатные

факультативные

Аэробы – облигатные и факультативные. Большинство прокариот. Среди аэробов выделяют группу микроаэрофилов, которые не способны расти при высоких концентрациях О₂ (при концентрации, равной концентрации О₂ в атмосфере 21%). Микроаэрофилы развиваются в среде с содержанием О₂ около 2 %. К микроаэрофилам относятся азотфиксирующие (нитрогеназа чувсвительна к О₂), водородные (О₂ инактивирует гидрогеназу – фермент, катализирующий окисление водорода).

Среди облигатных аэробов значительные различия в устойчивости к высокому уровню О₂ в среде. 100%-ное содержание подавляет рост всех облигатных аэробов. Есть виды, выдерживающие 40%-ное содержание О₂ . большинство хорошо развиваются при содержании О₂ - 21%.

Облигатные аэробы развиваются в условиях аноксии, т.е. без доступа О₂. Не выносят присутствия О₂ – погибают. К облигатным анаэробам относятся одни из самых древних бактерий метнообразующие, сульфатредуцирующие, маслянокислые бактерии.

Аэротолерантные анаэробы – это анаэробы, способные расти в присутствии О₂ (молочнокислые бактерии).

Факультативные анаэробы (аэробы) – могут развиваться, как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Связано с тем, что могут переключаться с одного типа обмена на другой. Например, энтеробактерии – дыхания на брожение; денитрифицирующие – с аэробного дыхания на нитратное.