18. Усвоение молекулярного азота микроорганизмами: химизм и значение процесса.
Азотфиксация — биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, являются прокариоты (эубактерии и архебактерии). Эти микроорганизмы частью самостоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями превращают молекулярный азот (N2) в органические соединения и интегрируют его (непосредственно или через растение) в белок, который в конце концов попадает в почву.
А
ммиак,
образовавшийся при фиксации N2, связывается
кетокислотами, что приводит к синтезу
аминокислот. Так, из б - кетоглютарата
и аммиака получается глютаминовая
кислота, которая служит исходным
веществом для синтеза ряда метаболитов.
В дальнейшем аминокислоты транспортируются
в наземную часть растения и расходуются
на синтез белков и других органических
соединений. У некоторых бобовых культур
отток азотсодержащих веществ из
клубеньков происходит в форме амидов,
а также уреидов (аллантоина и аллантоиновой
кислоты).
По способности вступать во взаимодействие с растениями микроорганизмы, осуществляющие фиксацию молекулярного азота, подразделяют на две группы — несимбиотические и симбиотические. В первой группе выделяют подгруппу свободноживущих азотфиксаторов (Clostridium pasteurianum* -анаэробы, Azotobacter**-аэробы), непосредственно не связанных с корнями высших растений, и подгруппу ассоциативных фиксаторов азота(Rhizobium)***, обитающих в фитоплане — ризосфере и филлосфсре, т. е. на поверхности подземных и надземных органов растений, и находящихся с ними в сингрофных взаимоотношениях. К группе симбиотических азотфиксаторов относят микроорганизмы, развивающиеся в образованных на корнях или листьях клубеньках (или узелках) и находящиеся в симбиотических взаимоотношениях с растениями.
*К свободноживущим азотфиксаторам относятся также бактерии видов Clostridium pasterianum, С. felsineum и др. Они представляют собой палочки, грамположительные, подвижные, образующие эндоспоры. При образовании спор палочки утолщаются и принимают форму веретена. Облигатные анаэробы могут размножаться в диапазоне pH 5,5-8,0.
**Бактерии рода Azotobacter представляют собой грамотрицательные аэробные палочки, расположенные одиночно или сцепленные попарно. С возрастом они постепенно укорачиваются и превращаются в кокки, окруженные толстой слизистой капсулой. Молодые клетки азотобактера имеют перитрихиально расположенные жгутики и обладают подвижностью. При старении клетки теряют подвижность.
*** Клубеньковые бактерии представляют собой мелкие, грамотрицательные, подвижные палочки, не образующие спор. Между бактериями и растением устанавливаются симбиотические взаимоотношения: бактерии питаются углеродсодержащими веществами, вырабатываемыми растением, а растения усваивают азотистые соединения, образующиеся бактериями в результате фиксации молекулярного азота.
Связывать молекулярный азот могут и другие микроорганизмы: Azotomonas fluorescens, цианобактерии, некоторые актиномицеты.
19. Приспособления микроорганизмов к различным условиям среды: капсула, спора, жгутики, скорость размножения, антибиотическая активность.
1. У некоторых бактерий слизистые или клейкие секреты образуют капсулы; капсулы хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон). Иногда эти секреты служат для формирования колоний из одиночных бактерий. С помощью секретов бактерии приобретают способность прилипать к различным поверхностям, таким как зубы, частицы ила или скалы.
Кроме того, капсулы обеспечивают дополнительную защиту для бактериальной клетки. Так, например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека, вызывая воспаление легких, тогда как некапсулированные штаммы легко атакуются и разрушаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны. Выделяют микрокапсулу, выявляемую при электронной микроскопии в виде слоя микрофибрилл, и макрокапсулу, обнаруживаемую при световой микроскопии. Капсула является защитной структурой (прежде всего от высыхания), у ряда микробов фактором патогенности, препятствует фагоцитозу, ингибирует первые этапы защитных реакций распознавание и поглощение.
2. Споры. Спорообразование - способ сохранения определенных видов бактерий в неблагоприятных условиях среды. Эндоспоры образуются в цитоплазме, представляют собой клетки с низкой метаболической активностью и высокой устойчивостью (резистентностью) к высушиванию, действию химических факторов, высокой температуры и других неблагоприятных факторов окружающей среды. Некоторые бактерии, главным образом относящиеся к родам Clostridium и Bacillus, образуют эндоспоры (т. е. споры, которые располагаются внутри клеток). Споры представляют собой толстостенные долгоживущие образования, отличающиеся очень высокой устойчивостью, особенно к нагреванию, коротковолновому облучению и высушиванию. Локализация спор в клетке бывает различной и служит важным признаком для идентификации и классификации бактерий.
3. Жгутики. Многие бактерии подвижны, что обусловлено наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутик — это простой полый цилиндр, образуемый одинаковыми белковыми молекулами. Жгутик закреплен в цитоплазматической мембране и клеточной стенке с помощью базального тельца. В структуру последнего входит стержень и кольца. Количество колец базального тельца у грамотрицательных и грамположительных бактерий различно. Несмотря на волнистую форму, они довольно жестки. Подвижность бактерий достигается вращением основания жгутика; В качестве примеров бактерий, имеющих жгутики, приведем Rhizobium (один жгутик) и Azotobacter (много жгутиков);
1.Монотрихи - имеют один полярный жгутик.
2.Лофотрихи - имеют полярно расположенный пучок жгутиков.
3.Амфитрихи - имеют жгутики по диаметрально противоположным полюсам.
4.Перитрихи- имеют жгутики по всему периметру бактериальной клетки.
Скорость и фазы роста микроорганизмов
В питательных средах рост и размножение бактерий проходят в несколько стадий, различных по количеству доступной пищи и накоплению отходов жизнедеятельности:
Первая фаза (латентная) определяется факторами адаптации к питательной среде. В это время микроорганизмы только осваиваются с новыми условиями. Рост бактерий не наблюдается.
Вторая фаза (экспоненциальная) характеризуется ростом в геометрической прогрессии (увеличение по экспоненциальной кривой). В этот период бактериальные клетки активно растут, используя всю доступную пищу (максимальная скорость роста). Достигнув определенного размера, бактерия начинает делиться. В результате увеличившейся скорости роста и размножения происходит накопление в среде отходов жизнедеятельности (токсинов). К концу фазы скорость роста начинает уменьшаться.
Третья фаза характеризуется стационарным ростом, т. е. количество «новорожденных» клеток совпадает с числом отмерших. Кривая роста и размножения на этом отрезке больше не поднимается. Скорость роста замедляется. Какое-то время общая численность бактерий в питательной среде остается неизменной. Однако за счет появления новых «членов семьи» запасы питательных веществ уменьшаются, а токсичность среды увеличивается. Этот процесс ухудшает условия жизни всей колонии.
Четвертая фаза – отмирание микроорганизмов – возникает в результате катастрофического уменьшения пищи и увеличения токсичности среды. Количество живых организмов неуклонно уменьшается, в конце концов, жизнеспособных клеток становится меньше, чем их отмерших собратьев.
Скорость кинетического роста бактериальной колонии во многом зависит от вида бактерий, состава питательных сред, количества посеянных (внесенных в среду) клеток, возраста культуры, способа дыхания и еще ряда факторов. Например, для размножения молочнокислых бактерий важно поддержание температур в довольно узком диапазоне (25-30⁰С) и определенный уровень кислотности среды (рН). Для размножения аэробных и анаэробных клеток решающим фактором становится наличие или отсутствие кислорода для дыхания, а спорообразующим клеткам необходимо достаточное количество пищи.
Антибиотическая активность микроорганизмов способность вырабатывать специфические антибиотические вещества, угнетающие рост других микроорганизмов.
Бактериоцины оказывают бактерицидное и бактериостатическое действие на грамположительные и грамотрицательные патогенные бактерии, нарушают синтез бактериальной мембраны и обладают порообразующим действием, а микроцины ингибируют ферменты, участвующие в процессах синтеза функциональных бактериальных протеинов. Одним из механизмов пробиотических бактерий, посредством которого они препятствуют колонизации патогенными бактериями, является продукция сероводорода, перекиси водорода и различных кислот (уксусной, молочной, соляной, бензойной), обусловливающих снижение рН в просвете кишечника . Во-вторых, пробиотики, продуцируя антимикробные молекулы, включая короткоцепочечные жирные кислоты, бактериоцины и микроцины, могут непосредственно ингибировать рост бактериальных и грибковых колоний или индуцировать гибель патогенов.