3. Влияние рН на жизнедеятельность микроорганизмов

Кислотность – важный фактор среды, определяющий существование в ней микроорганизмов.

Концентрация ионов водорода в окружающей среде может действовать на микроорганизмы прямо (непосредственное воздействие Н⁺) или косвенно, т.е. через влияние на ионное состояние веществ, делая их доступными или недоступными для микроорганизмов.

У неспециализированных бактерий экстремальные значения рН среды влияют на клеточную стенку и ЦПМ. В результате диссоциации или протонирования входящих в их состав макромолекул (липополисахаридов, белков и т.д.) происходят изменения в локальном распределении заряда на клеточных покровах. Это приводит к изменению морфологии клеток, нарушению деления клеток, к нарушению адгезии, а также к разрушению ЦПМ. Разрушаются поверхностные белки клеточной стенки, нарушается транспорт питательных веществ в клетку.

Некоторые не токсичные для человека кислоты (уксусная, пропионовая, сорбиновая, бензойная (0,1% р-р)) используются как консерванты в производстве пищевых продуктов. Борная, бензойная, уксусная, салициловая кислоты, раствор аммиака используют как антисептики.

Прокариоты могут развиваться в диапазоне рН от 1 до 12.

В зависимости от рН среды микроорганизмы делят на несколько групп:

1. Нейтрофилы развиваются при значении рН, близком к нейтральному (opt рН 6-8), диапазон от 4 до 9. Многие виды растут или выдерживают более низкие или высокие значения рН, соответственно их относят к ацидотолерантным или алкалотолерантным. К ацидотолерантным относятся молочнокислые, уксуснокислые. К алкалотолерантным – энтерококки, устойчивые к рН 9-10. Большинство природных местообитаний (пресноводные озера и реки, многие почвы, внутренняя среда растительных и животных организмов) имеют близкую к нейтральной реакцию среды; рН пресной воды – 7. Морская вода является слабощелочной (рН 7,5 – 8).

2. Ацидофилы - кислотолюбивые микроорганизмы.

Их делят на две группы:

1. облигатные – диапазон рН от 1 до 5, opt рН 2-4. Утратили способность расти в нейтральной среде.

2.факультативные - диапазон рН от 1 до 9, opt 2-4. Способны расти в нейтральных условиях.

Места обитания. Самая кислотоустойчивая бактерия Thiobacillus thiooxidans, образует большие количества серной кислоты (окисляет H₂S до H₂SО₄) и способна находиться в жизнеспособном состоянии даже в 1 N р-ре H₂SО₄, обитает в рудничных отходах (окисляет сульфидные руды).

В болотах, торфяниках (рН 2,5-6) развиваются умеренные ацидофилы. Термофильные ацидофилы р. Thermoplasma – в саморазогревающихся угольных отвалах (рН 2, t 32-80С). Термофильная Sulfolobus (рН 2-3, opt t 70-80) – в горячих кислых источниках.

3.Алкалофилы – щелочелюбивые микроорганизмы делят на две группы:

1. облигатные – диапазон рН от 8,5 до 12, opt рН 9-11.

2. факультативные– диапазон рН от 5 до 12, opt рН 9-10,5.

Места обитания. Щелочные почвы, (не выше 8,5), обогащенные щелочными минералами или экскрементами животных; пустынные почвы (рН может достигать 10); щелочные озера и источники в Кении (рН 8-11); содовые озера (рН ~ 10) – обитают натронобактерии.

К алкалофилам относятся уробактерии и многие цианобактерии.

Механизмы рН-гомеостаза

рН-гомеостазом называют поддержание рН цитоплазмы (внутриклеточного рН) в пределах узкого диапазона, несмотря на изменения рН среды.

Гомеостаз достигается совместным действием активных и пассивных механизмов.

Пассивный гомеостаз

1. Барьером для проникновения протонов в клетку служит ЦПМ. Т.к. ЦПМ обладает низкой проницаемость для протонов и других ионов.

2. Поступающие в клетку протоны нейтрализуются благодаря буферной емкости цитоплазмы, которая обеспечивается наличием в цитоплазме нуклеиновых кислот, белков, глутаминовой кислоты, полиаминов. Буферная емкость цитоплазмы возрастает при экстремальных значениях рН. В диапазоне внутриклеточного рН (6-8), характерном для большинства бактерий, буферную емкость среды обеспечивают фосфатные группы в составе РНК и ДНК. При экстремальных значениях рН большую роль играют карбоксильные группы и аминогруппы кислых и основных аминокислот. [Глутамат и полиамины играют роль при экстремальных значениях рН среды. Глутамат защищает клетку от сдвигов рН в кислую сторону.]

Активный рН-гомеостаз обеспечивается транспортом ионов. У нейтрофилов и ацидофилов основными механизмами регуляции рН служат протонные помпы и системы транспорта калия. У ацидофилов в цитоплазме поддерживается рН 6-7. Протонные помпы выкачивают протоны из клетки, что ведет к повышению внутриклеточного рН. При экстремальных значениях рН среды подкислению цитоплазмы препятствует поглощение ионов К⁺ (например, у Thiobacillus thiooxidans), за счет чего внутриклеточная сторона мембраны приобретает (+) и это препятствует входу протонов. Для регуляции рН не существует специальной системы поглощения калия, его вход в клетку обеспечивается главным образом активным выкачиванием протонов протонными помпами (К⁺/Н⁺ - антипорт). [Регуляция внутриклеточного рН опосредована неизвестной пока сенсорной системой и протондвижущей силой.]

У алкалофилов рН цитоплазмы составляет 8-8,8 при рН среды от 9 до 11. Основным механизмом поддержания рН-гомеостаза у алкалофилов является работа Nа⁺/Н⁺ - антипорта, который катализирует поступление в клетку протонов, при одновременном выкачивании из нее Na⁺ в процессе дыхания. У алкалофилов ферменты, находящиеся на поверхности клетки или секретируемые в окружающую среду, устойчивы к денатурирующему влиянию щелочной среды. Эти ферменты используются при производстве детергентов.