Физиология микроорганизмов

Использование новейших методов биохимии, биофизики и элек­тронной микроскопии позволило установить сложность органи­зации микроорганизмов. Физиологические, обменные процессы тесно связаны с химическим составом микробной клетки. В ее состав входят химические элементы — органогены: азот, угле­род, кислород, водород. Из этих элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, углеводы, липиды, нук­леиновые кислоты, ферменты, витамины и др.

Основной составной частью бактериальной клетки является вода (до 75—85 %). Она может быть в свободном или свя­занном виде. В состав клетки входят также минеральные вещества, в том числе неорганической природы (фосфор, сера, натрий, магний, калий, кальций, железо, хлор и др.), а также микроэлементы (молибден, кобальт, бор, марганец, цинк, медь и др.). Из органических веществ в бактериальной клетке содержатся белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, ли­пиды, ферменты и другие соединения.

Белки — это жизненно важные вещества бактериальной "клетки. В ней имеются простые белки — протеины и сложные белки — протеиды — соединение протеинов с небелковыми группами: с нуклеиновой кислотой (нуклеопротеиды), полиса­харидами (глюкопротеиды), жироподобными веществами (ли- попротеиды). К белкам принадлежат и ферменты (энзимы). Нуклеиновые кислоты представлены РНК, которая содержится в цитоплазме бактерий, и ДНК, находящейся в основном в ядре клетки. РНК играет роль в синтезе белка, ДНК отвечает за наследственные функции.

Углеводы содержатся в виде полисахаридного комплек­са в соединении с белками и липидами как правило в оболоч­ках клеток и слизистом слое. Полисахаридные фракции обеспе­чивают специфичность микроорганизмов, что имеет большое значение для диагностики. В жйзни бактериальной клетки определенное место занимают также липиды (жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолипиды и др.), являющиеся физиоло­гически активными веществами. Следует отметить, что химиче­ский состав микробной клетки зависит от состава питательной среды, характера обмена и внешних условий.

Химический состав актиномицетов и спирохет в основном сходен с бактериями, имеются различия лишь количественного характера. Риккетсии содержат простые и сложные белки, углеводы, липиды, ферменты, а также аналогично бактериям две нуклеиновые клетки — ДНК и РНК.

Питание (обмен веществ) микробов. Как и любой живой ор­ганизм, микроорганизмы постоянно осуществляют обмен ве­ществ с внешней средой. Для своего питания и размножения они извлекают, из внешней среды питательные материалы, син­тезируют составные части микробной клетки и получают за счет превращения веществ необходимую энергию для своей жизнедеятельности.

Поступление питательных веществ в клетку осуществляется через ее оболочку; ненужные микроорганизму продукты обме­на также через оболочку выводятся наружу. Механизм этого явления основан на разнице осмотического давления в клетке и вне ее. Оболочка клетки полупроницаема — пропускает воду и растворенные в ней питательные вещества. Для проникнове­ния в клетку сложных коллоидных веществ требуется предва­рительное их расщепление, что осуществляется с помощью фер­ментов микробной клетки. Синтезированные в теле клетки бел­ковые вещества используются как пластический материал.

В связи с разницей в концентрации питательных веществ происходит движение воды и растворенных в ней соединений, причем вода движется в сторону более высокой, а соли — в сторону менее высокой их концентрации. Постоянный приток воды в микробную клетку обеспечивает набухание коллоидов цитоплазмы. В результате этого цитоплазма тесно примыкает к оболочке клетки, находится в состоянии напряжения, именуе­мом тургором бактериальной клетки. Если изменить осмотиче­ское давление в окружающей среде, например поместить клет­ку в гипертонический раствор, то наступит обезвоживание и сморщивание (плазмолиз), в гипотонический раствор — набу­хание и разрыв (плазмоптиз). И в том и другом случае мик­робная клетка гибнет. Эти свойства, в частности плазмолиз, широко используют в повседневной практике при консервиро­вании пищевых продуктов в крепких растворах соли и сахара.

По типу питания микроорганизмы делят на аутотрофы (литотрофы) и гетеротрофы (органотрофы). Аутотрофы для своего питания не нуждаются в готовых органических ве­ществах, они создают их из неорганических веществ; в частно­сти, углерод воспринимают непосредственно из углекислого газа воздуха, простые азотистые соединения (аммиак, его соли, соли азотистой кислоты) и воду — из окружающей среды. Соз­дание сложных органических веществ в клетках этих бактерий происходит путем хемо- или фотосинтеза. К этой группе мик­роорганизмов принадлежат нитрифицирующие бактерии, желе­зобактерии, серобактерии и др. Патогенных для животных микроорганизмов в этой группе нет. Явление хемосинтеза у аутотрофных бактерий открыл выдающийся отечественный мик­робиолог С. Н. Виноградский (1856—1953).

Гетеротрофы для своего питания воспринимают угле­род только из готовых органических веществ. Кроме ТОГО, ОНИ нуждаются в различных азотистых соединениях (нитраты, ам­миак), неорганических веществах, микроэлементах и витами­нах. Гетеротрофы подразделяют на сапрофитов и паразитов. Сапрофиты (метатрофы) используют мертвые органические субстраты, в основном это гнилостные микроорганизмы. К ним относятся большинство известных видов бактерий. Паразиты (паратрофы) являются болезнетворными микробами, обитаю­щими в живых тканях человека, животных, растений. Число их значительно меньше, чем сапрофитов.

Резкой грани между аутотрофами и гетеротрофами, а так­же между сапрофитами и паразитами не существует. При изме­нении условий среды меняется обмен веществ, у микробов вы­рабатываются адаптивные ферменты, и они приспосабливаются к другому типу питания. В экспериментах установлена смена аутотрофного на гетеротрофный тип питания. С другой сторо­ны, отдельные виды патогенных для животных микробов могут существовать во внешней среде как сапрофиты, а некоторые сапрофиты при определенных условиях вызывают заболевания животных.

Большинство бактерий развиваются преимущественно в сложных средах. Отмечается избирательность микроорганиз­мов по отношению к питательным веществам, в особенности к источникам углерода и азота. Углерод микроорганизмы полу­чают из углеводов, спиртов, различных органических кислот. Для выращивания патогенных микробов нужен азот белков животного происхождения, хотя удается выращивание и на синтетических средах. Универсальным источником азота и углерода является пептон — продукт ферментативного расщеп­ления белков мяса. Пептон входит в состав питательных сред, для выращивания бактерий. Бактерии нуждаются в специаль­ных ростовых веществах или витаминах, играющих роль ката­лизаторов биохимических процессов в клетке. Необходимы для питания бактерий также неорганические вещества.

Микробная клетка использует питательные вещества для создания частей своего тела, накопления резервного материала и получения энергии. Обмен веществ включает в себя два противоположных и в то же время единых процесса: ассими­ляция (конструктивный обмен веществ) и диссимиля­ция (энергетический обмен веществ). Обмен веществ осуще­ствляется с помощью ферментов, о роли которых будет сказа­но ниже.

Микроорганизмы нуждаются в аминокислотах. Белковый обмен у бактерий протекает в две фазы. Под действием фер­ментов белковые вещества расщепляются до аминокислот. По­следние могут подвергаться дальнейшему изменению (дезами- иирование, декарбоксилирование). Наряду с этим происходит и процесс построения белков, для осуществления которого также необходимы аминокислоты. Одни микробы получают их в гото­вом виде, другие — синтезируют из простых соединений азота. Синтез белка осуществляется в рибосомах.

Расщепление углеводов также происходит под влиянием ферментов. Этот процесс протекает по типу гидролиза или фос- форолиза. Образующиеся моносахариды подвергаются броже­нию, при этом освобождается энергия, используемая микроор­ганизмами. Конечные продукты такого распада — вода и углекислота. Расщепление углеводов обусловливает кислую реакцию (бродильные микробы), расщепление белков — щелоч­ную (гнилостные микробы). Этот биологический антагонизм широко используется в жизни — бродильные процессы предо­храняют от загнивания силос, квашеные овощи, молочнокислые продукты. Углеводы синтезируются путем фотосинтеза, что присуще бактериям, содержащим в цитоплазме пигменты типа хлорофилла, и хемосинтеза (большинство видов бактерий).

Липидный обмен в микробной клетке осуществляется с по­мощью ферментов. Многие бактерии усваивают глицерин, слу­жащий для получения энергии и построения структур клетки.

Большое значение для жизнедеятельности микробов имеет также минеральный обмен.

Дыхание микроорганизмов — это процесс, который сопрово­ждается выделением энергии, необходимой микробам для син­теза органических соединений. Микробов по типу дыхания де­лят на две группы — аэробные микробы (аэробы), которые используют для дыхания молекулярный кислород воздуха (на­пример, возбудитель сибирской язвы), и анаэробные микробы (анаэробы), для жизнедеятельности которых необходимая энергия освобождается в процессе расщепления имеющихся в окружающей среде органических субстратов (например, возбу­дитель ботулизма).

Между этими группами существуют промежуточные формы. Есть группа микроаэрофилов — микробов, которые нуждаются в очень ограниченном количестве кислорода (на­пример, возбудитель бруцеллеза крупного рогатого скота). Есть так называемые факультативные аэробы, спо­собные размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. К этой группе принадлежит большинство патоген­ных и сапрофитных бактерий. Значительное влияние на харак­тер дыхания оказывает среда обитания микробов. Например, дрожжи могут изменять анаэробный тип дыхания на аэроб­ный. Наличие, кроме облигатных (обязательных) аэробов и анаэробов, факультативных (промежуточных) форм свидетель­ствует об условности этих разграничений.

Процессы дыхания у бактерий представляют собой цепь по­следовательных окислительно-восстановительных реакций, про­текающих с участием строго специфических ферментных систем и осуществляемых путем переноса электронов от системы с наиболее отрицательным потенциалом к системе с наиболее по­ложительным потенциалом.

Ферменты (энзимы) микробов играют важную роль в обмене веществ. Это особые вещества, стимулирующие различные хи­мические процессы, происходящие в клетке, а также в окру­жающей среде под их влиянием. Ферменты микробов обладают высокой активностью и специфичностью. Они неустойчивы, раз­рушаются под действием высокой температуры в присутствии щелочей, кислот, солей тяжелых металлов. Различают э к з о - ферменты, выделяемые клеткой в окружающую среду (служат для внешнего переваривания питательных веществ), и эндоферменты, которые заключены внутри клетки. Одни ферменты, которые находятся в клетке постоянно, неза­висимо от условий ее существования,— конструктивные ферменты. Другие ферменты — адаптивные (индук­тивные) — появляются только тогда, когда в них возникает не­обходимость. По химическому составу различают ферменты, состоящие только из белка, и ферменты, в состав которых, по­мимо белка, входят и другие вещества, например ионы метал­лов, витамины.

Ферменты нашли широкое применение в промышленности. Их используют в пивоварении, спиртовом производстве, хле­бопечении, при выделке кож. Протеиназы микробного происхо­ждения используют при регенерации кинопленки и химической чистке одежды. С помощью фибринолизина растворяют тромбы в кровеносных сосудах. Ферменты, гидролизующие клетчат­ку, используют для лучшего усвоения животными грубых кор­мов. Ферментативные свойства патогенных микробов учитыва­ют при их идентификации в лабораторной практике.

Токсины микроорганизмов. Ряд патогенных микробов выра­батывают особые ядовитые вещества — токсины. Микробные токсины делят на экзотоксины, выделяемые во внешнюю среду, и эндотоксины, связанные с телом микробной клетки (подробнее см. «Учение об инфекции»).

Гнилостный распад белка (например, в мясных продуктах), вызываемый определенными микроорганизмами, обусловливает образование ядовитых веществ — птомаинов, что служит при­чиной алиментарных интоксикаций.

Некоторые виды бактерий и грибов вырабатывают крася­щие вещества — пигменты. Колонии этих микробов на твердых средах окрашиваются в разные цвета: красный — чудесная па­лочка, синий — синегнойная палочка, золотистый — золотистый стафилококк, белый — белый стафилококк, черный и бурый — дрожжи и грибы. Есть микробы, которым свойственно свечение (люминесценция). Это — фотобактерии. Они вызывают свече­ние истлевшего дерева, мяса, чешуи рыб, морской воды и дру­гих объектов. Некоторые микробы выделяют летучие аромати­ческие вещества, обусловливающие запах вин, молочнокислых продуктов, сена и других объектов. К ним относится Ьеисопоэ^с сИгоуогиэ, используемый в молочной промышленности для при­дания аромата сливочному маслу и другим молочным продук­там. Существует также группа термогенных (термофильных) микробов, способных при определенных условиях вызывать по­вышение температуры, обусловливая например, самонагреванир навоза, влажного сена. Микробные процессы сбраживания на­воза сопровождаются выделением метана, который используют для отопления помещений.

Рис. 8. Делящаяся клетка Listeria monocytogenes (увелич. 100 000).

Размножение и рост микроорганизмов. Размножение микробов — это их самовоспроизведение, увеличение количест­ва микробных клеток в единице объема. Под ростом мик­робов подразумевается увеличение самой клетки (увеличение массы цитоплазмы).

Как правило, бактерии размножаются простым поперечным делением, например палочковидные бактерии делятся на две особи (рис. 8). Кроме того, бактерии могут размножаться поч­кованием, путем расщепления сегментированных нитей, по­средством образования клеток, подобных спорам, и другими способами. Актиномицеты и грибы размножаются в основном спорами. Деление бактерий представляет собой отделение от материнских клеток дочерних. Последние, в свою очередь, ста­новятся материнскими. После нескольких генераций материн­ские клетки стареют и гибнут.

Бактерии размножаются очень быстро. Длительность гене­рации у кишечной палочки всего 15 мин. Теоретически при бла­гоприятных условиях из одной клетки, если деление будет про­исходить каждые 20 мин, через 36 ч будет выращено до 400 т микробной массы. На самом же деле размножение происходит в меньших масштабах в связи с действием ряда факторов внешней среды, ограничивающих рост и развитие бактерий. Скорость деления бактерий зависит от их вида, возраста куль­туры, от питательной среды, температуры и других факторов. Размножение бактерий в жидких средах происходит по опре­деленным закономерностям и характеризуется следующими фа-

зами (рис. 9): 1) исходная фаза исчисляется с момента засева бактерий на питатель­ную среду, в этой фазе раз­множения не происходит, длится она 1—2 ч; 2) фаза за­держки размножения (лаг-фа-

Рис. 9. Фазы размножения бактерий. за) — размножение идет НвИН'

тенсивно, клетки приспосабливаются к новым условиям, ско рость их роста возрастает, длительность около 2 ч; 3) логариф­мическая фаза характеризуется максимальной скоростью деле­ния и уменьшением размера клеток, длительность 5—6 ч; 4) фаза отрицательного ускорения характеризуется снижением скорости размножения бактерий, число делящихся клеток уменьшается, длительность около 2 ч; 5) стационарная фаза — число новых бактерий становится равным числу отмирающих, длительность около 2 ч; 6) фаза ускорения гибели бактерий, длительность около 3 ч; 7) фаза логарифмической гибели — при этом отмирание бактерий идет с постоянной скоростью, длитель­ность около 5 ч; 8) фаза уменьшения скорости отмирания, при которой оставшиеся живыми клетки переходят в состояние покоя.

В лабораторных условиях бактерии выращивают в пита­тельных средах, используя для этой цели термостаты — прибо­ры, где поддерживается определенная постоянная температура. Микроорганизмы способны размножаться при температуре от —10° до —80°.

Большое значение для выращивания бактерий имеет рН —■ концентрация водородных ионов питательной среды. Большин­ство патогенных микробов растет при рН 6,8—8,0 и темпера­туре 37 °С.

Питательные среды подразделяют на простые (мя- со-пептонный бульон и агар), специальные (сывороточный агар и бульон, кровяные среды и др.) и дифференциально-диагности­ческие (среды с углеводами, среды Эндо и др.). Часто используют элективные среды, на которых хорошо растут определенные виды бактерий и не растут совсем или плохо растут другие виды. Питательные среды бывают плотные, жидкие и полужид­кие. Бактерии на плотных средах образуют скопления, на­зываемые колониями. Колонии могут иметь различный вид, размер, форму, края, поверхность. Все эти признаки использу­ют в лабораторной практике при дифференциации бактерий. На жидких средах бактерии растут с образованием помутне­ния, пленки, осадка. Выращивание бактерий в лаборатории производят в пробирках, флаконах, чашках Петри, в производ­ственных условиях — в стеклянных матрасах, бутылях, а так­же в реакторах большой емкости. Культивирование риккетсий осуществляют в куриных эмбрионах, на искусственных пита­тельных средах, содержащих переживающие ткани, и путем за­ражения лабораторных животных.

В настоящее время возросло значение микробиологической промышленности, производящей различные биопрепараты —■ вакцины, сыворотки и др. Ее основу составляет биотехноло­гия — отрасль науки, разрабатывающая технологию производ­ства (процессы, аппараты) биопрепаратов в промышленных масштабах. /

Биотехнология имеет давние традиции. Микробиологические процессы используют для получения хлеба, молочнокислых продуктов и других изделий. В последнее время наряду с тра­диционными возникли новые направления биотехнологии, в частности генетическая инженерия, позволяющая придавать микробам новые свойства и повышать выход продукции.

Контрольные вопросы. 1. Какие вещества входят в состав микробной клетки? 2. Чем отличаются микробы-сапрофиты от паразитов по характеру обмена веществ? 3. Каковы различия между анаэробами и аэробами? 4. Фер­менты микробов и их практическое использование.