14

Лекція № 8

Тема: ВПЛИВ ФАКТОРІВ ЗОВНІШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА НА МІКРООРГАНІЗМИ

Мікроорганізми, з одного боку, більше залежать від умов оточуючого середовища, ніж тварини і рослини, а з іншого боку їм властива здатність існувати в значно ширшому діапазоні змін умов зовнішнього середовища, ніж вищим еукаріотам.

ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ

Температура оточуючого середовища так само впливає на мікроорганізми, як і на інші живі організми. Оскільки всі мікроорганізми, як правило, одноклітинні і всі без виключення пойкілотермні – їх температура варіює в залежності від температури оточуючого середовища.

Найважливіший ефект, який має температура на мікроорганізми – це вплив на швидкість протікання хімічних реакцій. При зниженні температури швидкість ензиматичних реакцій знижується і, відповідно, сповільнюється швидкість росту мікроорганізмів. З підняттям температури на кожні 10⁰С швидкість реакцій подвоюється. Однак, значне підняття температури призводить до летального ефекту. При високій температурі денатуруються ферменти, транспортні переносники, інші білки; ліпідний бішар у мембранах плавиться.

Ріст мікроорганізмів лежить у певних температурних межах і визначається кардинальними точками – мінімальною, оптимальною та максимальною температурами росту. Хоча форма кривої температурної залежності варіює, температурний оптимум завжди ближче до максимуму, ніж до мінімуму.

Кардинальні температури для певних штамів не обов’язково строго фіксовані, вони залежать від інших факторів оточуючого середовища.

Деякі види, наприклад, Neisseria gonorrhoeae мають невеликий температурний діапазон і називаються стенотермалами, інші, як Enterococcus faecalis, можуть рости в широкому діапазоні температур і називаються еврітермалами.

Основні групи мікроорганізмів відрізняються одна від одної максимальними температурами росту. Так, верхня межа для Protozoa становить приблизно 50⁰С. Деякі водорості та гриби ростуть при температурі до 55-60⁰С. Виявлено, що бактерії можуть рости при температурі, близькій до 100⁰С (в точці кипіння води), а окремі штами і при вищій температурі.

BOX

Екстремальні термофіли Було виділено мікроорганізми з «чорних курильщиків» (“black smokers”), які розташовані на дні океану серед рифів і скал. Вода в у цих ділянках океану має високий вміст сірководню і температуру до 3500С. Бактерії, що виділені звідти, росли при 1150С, але можуть рости і при вищій температурі. Тиск у цих середовищах існування достатній, щоб тримати воду в рідкому стані, і він становить 265 атм. Для того, щоб морська вода закипіла при цьому тиску, треба підняти температуру до 4600С.

На основі температурного діапазону росту мікроорганізми поділяють на такі групи:

1. Психрофіли. Вони добре ростуть при 0⁰С, мають оптимальну температуру росту при 15⁰ і нижче, максимальну + 20⁰С.

Розповсюджені в Арктиці, Антарктиці. Оскільки 90% води світового океану має температуру 5⁰С, то очевидно там існують психрофільні мікроорганізми. Водорості Chlamydomonas nivalis призводять до утворення рожевих плям на снігових полях та льодовиках за рахунок своїх яскраво червоних спор. Більшість психрофілів – представники родів Pseudomonas, Flavobacterium, Achromobacter, Alcaligenes.

Психрофіли адаптувались до умов існування наступним чином:

1. Їм притаманний високий вміст у клітинних мембранах коротколанцюгових ненасичених жирних кислот, що дозволяє бути мембрані напіврідкою при холоді;

2. Низька температура активації ферментів;

3. Транспорт речовин у психрофілів здійснюється при низьких температурах. У мезофілів за таких умов він інактивується.

4. Особливості біосинтетичного апарату полягають у тому, що при температурі росту психрофілів у інших мікроорганізмів втрачається здатність утворювати полісоми.

2. Психротрофи або факультативні психрофіти. Багато видів можуть рости при 0⁰С, навіть якщо вони мають оптимум між 20⁰ і 30⁰ та максимум при 35⁰С. Психротрофні бактерії і гриби спричиняють псування заморожених продуктів.

3. Мезофіли – це мікроорганізми з ростовим температурним оптимумом від 20⁰до 45⁰С і мінімумом – від 15 до 20⁰С. Їх температурний максимум становить 45⁰С і нижче. До цієї групи належить більшість мікроорганізмів. Всі патогени людини – мезофіли, оскільки температура їх оточуючого середовища майже постійно 37⁰С.

4. Термофіли. До цієї групи належать мікроорганізми, яки можуть рости при температурі 55⁰С і вище. Ростовий мінімум становить 45⁰, оптимум – 55-65⁰С. Як згадано вище, деякі термофіли можуть рости при температурі віще 100⁰С. Термофіли в основному представлені бактеріями, хоча серед них є декілька видів дріжджів і грибів. Вони зустрічаються в таких екосистемах як компост, скирди сіна, що самонагріваються, гарячі джерела.

Термофілія пояснюється наступним чином:

1. У ліпідах клітинних мембран наявний високий вміст насичених жирних кислот з довгими розгалуженими ланцюгами;

2. Ферменти термофілів мають низьку молекулярну масу, а також стабільність при високих температурах;

3. Білки цих мікроорганізмів відрізняються за первинною структурою, вони містять більше амінокислот з вільними NH₂-групами;

4. Спостерігається менший вміст вільної та зв’язаної води, підвищена кількість іонів Са²⁺ та К⁺;

5. ДНК стабілізується поліамінами, зокрема терміном, кальдотерміном;

6. Наявність ізоферментів.

В цілому, низькі температури мікроорганізми переносять краще, ніж високі.

Вплив рН середовища

Кислотність середовища є важливим фактором, який визначає можливість існування мікроорганізмів. Концентрація іонів Н⁺ впливає на поверхневі структури, активність ферментів, стабільність макромолекул. Із зміною рН змінюється ступінь засвоєння речовин із середовища:

1. При низьких значеннях рН зростає розчинність іонів Купруму, Мангану, Алюмінію, відповідно, підвищується їх токсичність;

2. При високих значеннях рН зменшується розчинність іонів Fe, Ca, Mg, Mn. Внаслідок цього вони стають недоступними для мікроорганізмів.

Життя мікроорганізмів можливе в широких межах рН – від 0 (0,6) до 11 (11,5). Проте кожний вид існує в певних значеннях рН середовища, тому, як правило, розрізняють нижню межу, оптимальне значення рН, а також верхню межу кислотності середовища.

1. Ацидофіли (рН 1 – 5,5) - мікроорганізми, для яких оптимальні значення рН середовища лежать у кислій зоні. Це переважно гриби (оптимум рН 4 - 6), водорості, тіонові бактерії. Водорості Cyanidium caldarium і бактерії Sulfolobus acidocaldarius добре ростуть при рН 1 – 3 і високій температурі; дріжджі Saccharomyces telluris – при рН 0,9 – 1,1.

2. Бактерії, які ростуть в діапазоні рН 5,5 – 8 називають нейтрофілами. До них належить більшість бактерій і найпростіших, зокрема E.coli, B.subtilis, Streprococcus faecalis тощо.

3. У природі зустрічаються зони з високим значенням рН (рН 8,5 – 11,5), де розвиваються алкалофіли. До них належать амоніфікатори, сульфат- і нітратредукувальні бактерії, уробактерії, ціанобактерії, B.alcalophilus тощо.

Зазвичай здатність до росту при низьких або високих значеннях рН надає певну перевагу мікроорганізмам, оскільки таким чином обмежується конкуренція з боку інших організмів.

Не дивлячись на те, що мікроорганізми здатні рости в широкому діапазоні рН, кислотність середовища в клітині залишається на нейтральному рівні (рН ≈7). Якщо внутрішньоклітинний рН знижується до 5,0 – 5,5, то наступає смерть клітини.

Існують певні механізми для підтримування внутрішнього рН:

1. Цитоплазматична мембрана непроникна для протонів Н⁺;

2. Змінюється вміст іонів К⁺, Na⁺ в клітині;

3. Спрацьовує внутрішня буферна система;

4. Коли рН в клітині знижується до 4,5 або нижче, то вона починає синтезувати чаперони (chaperons) – білки кислотного шоку або білки температурного шоку.

Протягом багатьох років вважалось, що після синтезу на рибосомах поліпептиди спонтанно утворюють свою кінцеву конфігурацію – вторинну, третинну і четвертинну структуру. І, хоча ці структури визначаються послідовністю амінокислот в ланцюгу, тепер відомо, що абсолютно в усіх клітинах (прокаріотних та еукаріотних) існують допоміжні білки – молекулярні чаперони – які допомагають скручуванню поліпептидів. Вони запобігають неправильному скручуванню, тобто формуванню неправильних білкових молекул і утворенню нефункціональних білкових агрегатів.

Чаперони вперше були виявлені тому, що їх кількість значно зростала у випадку, коли клітини поміщали в стресові умови: висока температура, токсичні речовини. Тому багато чаперонів отримали назву білків температурного шоку (heat – shock proteins) або стресових білків (stress proteins). Якщо культуру E.coli переносили з 30⁰С в 42⁰С, то концентрація стресових білків суттєво зростала протягом всього п’яти хвилин. При летальній температурі синтез всіх білків припинявся, окрім синтезу білків температурного шоку.

Вважається, що чаперони виконують наступні функції:

• Захищають РНК-полімеразу від температурної інактивації in vitro;

• Можуть відновити термічно інактивовану РНК-полімеразу;

• Відіграють важливу роль у транспорті білків через мембрану. Наприклад, чаперон Sec B E.coli зв’язується з частково розкрученим білком і підтримує його в такому вигляді протягом всього процесу переносу через ЦПМ (export competent state).

В процесі росту деякі мікроорганізми самі здатні змінювати рН середовища за рахунок утворення кислих або лужних продуктів метаболізму: оцтової, масляної, пропіонової кислот; амоніаку тощо.

Чутливість мікроорганізмів до рН середовища використовується при консервуванні харчових продуктів. Застосування маринадів, квашення овочів призводить до створення низького рН, несприятливого до розвитку гнильних мікроорганізмів.