книги из ГПНТБ / Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник

торые другие. Часть из них входит в состав естест­ венного питания микробов, часть усваивается ими из ми­ неральных солей. Некоторые микроорганизмы не спо­ собны к самостоятельному синтезу витаминов, отсутст­ вие которых в питательной среде приводит к резкому нарушению обменных процессов. Добавление недостаю­ щего витамина в среду ликвидирует эти нарушения и восстанавливает нормальный рост микробов, поэтому витамины называют ростовыми веществами или факто­ рами роста.

Существует целый ряд микроорганизмов (некоторые актиномицеты,' пропионовокислые и метанообразующие бактерии), которые синтезируют витамины в количест­ вах, значительно превышающих потребности микробной клетки, на чем основан способ промышленного получе­ ния витаминов.

§ 27. Энергетические процессы у микроорганизмов

Первоисточником энергии на Земле является Солнце. В макромире способностью использовать энер­ гию солнечного света обладают только зеленые расте­ ния. Являясь типичными автотрофами, они синтезируют сложные клеточные вещества из углекислоты. Процесс этот носит название фотосинтеза. Сущность его состоит в переходе поглощенной лучистой энергии в химическую энергию сложных органических молекул.

Способы получения энергии у микроорганизмов весь­ ма разнообразны. Одни микробы, аналогично зеленым растениям, могут использовать энергию солнечного све­ та, другие •— энергию, выделяющуюся в ходе окисления неорганических веществ, третьи получают энергию в ре­ зультате процессов дыхания и брожения.

Количество энергии, которое живые организмы полу­ чают одним из перечисленных способов, весьма различ­ но. Однако дело не только в суммарном выходе энергии, а в возможности ее использования для осуществления жизненных функций.

Все живые организмы способны использовать в жиз­ ненных процессах только ту энергию, которая заключе­ на в макроэргических соединениях, в первую очередь в молекулах АТФ. Именно поэтому независимо от источ­ ников энергии и энергия света, и энергия химических ре-

60

Реакция эта протекает при участии специфических: ферментов, при этом неорганический фосфат сначала активизируется. Источником активизации фосфата и служит та энергия, которую микроорганизмы получают одним из перечисленных способов. Процесс образования; АТФ протекает в митохондриях и называется фосфорилированием. Если этот процесс сопряжен с использова­ нием энергии света, его называют фотосинтетическим; фосфорилированием.

Фотосинтез. В мире микроорганизмов способностью) использовать энергию света обладают водоросли и неко­ торые виды бактерий и простейших—их называют фотосинтезирующими.

Водоросли, подобно зеленым растениям, синтезируют клеточное вещество, ассимилируя СОг и используя в ка­ честве донора водорода воду. В ходе процесса выделя­ ется кислород:

Некоторые виды бактерий, к которым относятся зе­ леные и пурпурные серобактерии, для жизнедеятельно­ сти используют в качестве донора водорода не воду, а сероводород. Такой тип фотосинтеза получил названиефоторедукции:

Другие виды 'фотосинтезирующих микробов использу­ ют органические доноры водорода.

Основные отличия бактериального фотосинтеза от фотосинтеза зеленых растений заключаются в том, что донором водорода является не вода, а другие соедине­ ния и что бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода.

Фоторедуцирующие бактерии развиваются в освещен­ ных загрязненных водоемах, где в результате разложе­ ния органических веществ в изобилии! образуете* серово-

61

дород. Используя H2 S в процессе фотосинтеза, эти бак­ терии играют важную роль в уничтожении неприятных запахов (дезодорации).

Хемосинтез. Группа автотрофных микроорганизмов, получающих энергию в результате окисления неоргани­ ческих соединений, носит название хемосинтезирующих.

Явление усвоения углекислоты без участия света при сопряженном использовании энергии окисления не­ органических соединений (хемосинтез) было открыто

С.Н. В.иноградским в конце XIX в.

Вприродных и сточных водах из этой группы микро­ организмов наиболее распространены следующие.

1.Нитрифицирующие бактерии, получающие энергию за счет окисления аммиака в нитриты и нитраты.

1 моля углекислоты им необходимо окислить соответст­ венно 35 молей аммиака и 101 моль азотистой кислоты.

Нитрификаторы не нуждаются в органических веще­ ствах. Более того, установлено, что органика подавляет их жизнедеятельность, поэтому развитие процесса нит­ рификации свидетельствует об отсутствии в среде легко-

дается образованием примерно 500 г гидрата окиси же­ леза. С деятельностью железобактерий связывают обра­ зование болотных руд на дне водоемов. Нитчатые желе­ зобактерии, развиваясь в водопроводных трубах, вызы­ вают их закупорку.

3. Бесцветные серобактерии, к числу которых относят­ ся широко распространенные в сточных и загрязненных

62

водах Beggiatoa alba, в качестве источников энергии ис­ пользуют реакции окисления сероводорода и серы:

получает энергию в результате биологического окисле­ ния органических веществ — дыхания. Водород от окис­ ляемого вещества (см. § 24) передается в дыхательную цепь. Если роль конечного акцептора водорода выполня­

ферментов переноса (см. рис. 14) и способны жить толь­ ко при достаточном количестве кислорода. К аэробным микроорганизмам относятся многие виды бактерий, гри­ бы, водоросли, большинство простейших. Аэробные сапрофиты играют основную роль в процессах биохимиче­ ской очистки сточных вод и самоочищении водоема.

В качестве источника энергии гетеротрофы могут ис­ пользовать большой набор окисляемых соединений: угле­ воды, жиры, белки, спирты, органические кислоты и т. д. Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов вы­

На самом деле это сложный многостадийный процесс, включающий ряд последовательных ферментативных ре­ акций, в ходе которых молекула глюкозы превращается в пировиноградную кислоту (ПВК). На этом этапе окис­ ление глюкозы протекает без участия кислорода и сопро­ вождается образованием двух молекул АТФ и восстанов­ ленной дегидрогеназы .НАДН2 , которая передает водо­ род в дыхательную цепь ферментов.

В клетках многих аэробов ПВК может быть окислена полностью до С 0 2 и Н 2 0 в результате ряда последова­ тельных реакций гидролиза, дегидрирования, декарбоксилирования. Совокупность этих превращений состав­ ляет цикл, именуемый циклом Кребса или циклом ди- и трикарбоновых кислот (ЦТК). ПВК включается в цикл • через промежуточное соединение ацетилкоэнзим А, обра-

63

зоваийе которого происходит в результате реакции ПВК

+ Н 2 0 + С 0 2 + НАДНа . ~

Промежуточные соединения ЦТК частично использу­ ются для синтеза клеточного вещества.

Водород, отнятый дегидрогеназами в цикле, передает­ ся в дыхательную цепь и далее кислороду. При этом на каждые два атома водорода синтезируются три молеку­ лы АТФ. Образование АТФ одновременно с процессом окисления с участием кислорода называется окислитель­ ным фосфорилированием.

Суммарно при полном окислении моля глюкозы об­ разуется 38 молекул АТФ. Из них 24 при окислении двух молекул ПВК в цикле Кребса.

Таким образом, основное количество энергии запа­ сается именно на стадии окисления в ЦТК. Замечатель­ но то, что цикл Кребса универсален. Такой тип окисле­ ния характерен и для простейших, и для бактерий, и для клеток высших животных и растений.

Источником энергии для микробов могут служить и жиры. Гидролиз жиров приводит к образованию глице­ рина и высших жирных кислот, дальнейшие пути превра­ щения которых различны. Ферментативное окисление глицерина приводит к образованию ПВК, дальнейшее превращение которой описано выше. Превращение жир­ ных кислот носит сложный многоступенчатый характер и заключается в постепенном отщеплении двух углерод­ ных атомов при участии HSKoA. Единственным продук­ том этого распада является ацетилкоэнзим А, который вступает затем в цикл Кребса.

Характерная особенность процессов энергетического обмена заключается в ступенчатом использовании сво­ бодной "энергии питательных веществ. Если бы в клетке окисление глюкозы или других соединений происходило в одну стадию, то одновременное выделение нескольких сот килокалорий не могло бы быть использовано клет­ кой, привело бы к выделению большого количества теп­ ла, резкому повышению температуры и гибели клетки. Именно поэтому многоступенчатое использование энер­

64

до конца. Некоторые аэробы окисляют органические сое­ динения частично, при этом в среде накапливаются про­ межуточные продукты окисления.

Полагают, что, используя для получения энергии та­ кие соединения, как спирты, углеводороды, органические кислоты и т. д., микроорганизмы преобразуют эти веще­ ства и на определенном этапе включают их в обменный цикл углеводов или жиров. Например, при использова­ нии углеводородов Mycobacterium и Pseudomonas моле­ кула углеводорода подвергается последовательно окисле­ нию молекулярным кислородом, дегидрированию, гидро­ лизу. Образовавшиеся в результате жирные кислоты включаются в рассмотренный выше цикл превращений.

При использовании этилового спирта микроорганиз­ мы превращают его в уксусную кислоту, которая после реакции с HSKoA может непосредственно включаться в Ц Т К .

Если микроорганизмы лишены источников питания, они некоторое время могут существовать за счет внутри­ клеточных запасов. В качестве запасных веществ боль­ шинство микробов откладывают полисахариды (глико­ ген и крахмал) и жир. Эндогенное дыхание за счет этих веществ протекает по тому же пути, что и окисление эк­ зогенных источников энергии. Когда запасы питательных веществ исчерпаны, начинается окисление клеточных бел­ ков.

Некоторые виды микроорганизмов могут развивать­ ся как в присутствии кислорода, так и без него, т. е. в анаэробных условиях. Такие микробы относят к группе условных (факультативных) анаэробов. Если в среде есть кислород, они используют его в качестве конечного акцептора аналогично аэробам. В анаэробных условиях конечными акцепторами для них служат соединения ти­ па нитратов. Использование нитратов в процессе дыха­ ния присуще многим видам денитрифицирующих бакте­ рий. Предполагают, что денитрификаторы имеют ту же цепь переноса водорода, что и аэробы, с той лишь разни­ цей, что в цитохромной системе вместо цитохромоксидазы присутствует фермент нитратредуктаза. В общем ви­ де процесс анаэробного дыхания за счет нитратЪв мо­ жет быть записан так:

2NOJ- + 6АН2 - 6А + 6 Н 2 0 + N 2 ,

где АНг — окисляемое вещество.

Конечным продуктом денитрификации может быть в зависимости от условий азот или аммиак. Процесс этот широко распространен в природе и в последнее время нашел применение в практике очистки сточных вод для полного удаления из них азотных'форм.

Существуют микроорганизмы, для которых кислород не только не нужен, но и является ядом. Это облигатные анаэробы. Анаэробное дыхание с использованием суль­

Этот процесс протекает в придонных слоях грязных водоемов и наблюдается при анаэробной очистке сульфатсодержащих производственных стоков.

Брожение. Анаэробный процесс биологического окис­ ления, при котором акцептор водорода образуется в хо­ де распада окисляемого субстрата, называется броже­ нием.

Процессы брожения осуществляются многими видами бактерий и дрожжей. Существует несколько типов бро­ жений, названия которым даются по конечному продук­ ту: спиртовое, осуществляемое дрожжами, пропионовокислое — пропионовокислыми бактериями, молочнокис­ лое — молочнокислыми бактериями, метановое — метанообразующими бактериями.

Анаэробы не имеют полной цепи ферментов переноса водорода (см. рис. 14), поэтому и не могут использовать кислород в качестве конечного акцептора водорода. Пе­ ренос водорода в случае брожения осуществляется по

реакции (38).

Процесс окисления углеводов в клетках аэробов и анаэробов протекает совершенно одинаково вплоть до стадии образования ПВК. Конечным продуктом этого этапа кроме ПВК является и восстановленная дегидрогеназа НАДН2 . Поскольку в анаэробных условиях не мо­ жет произойти окисление НАДН 2 кислородом (как это происходит в клетках аэробов), регенерация фермента протекает за счет окислительно-восстановительной реак­ ции с участием ПВК или продуктов, образованных из нее. Эти реакции дальнейшего превращения ПВК значи­ тельно варьируют у различных микроогранизмов и при­ водят к образованию различных конечных продук-

66'

тов брожения: спиртов, кислот, ацетона, газов броже­ ния СОг, Н2 , СН4 .

Например, при спиртовом брожении сначала проте­

И в том и другом случае конечный акцептор водорода образован в ходе распада исходной молекулы глюкозы.

Количество энергии, которое микроорганизм может получить в результате брожения, невелико, так как не происходит полного окисления глюкозы, и часть энергии остается в конечных продуктах брожения. Энергия запа­ сается в виде АТФ только на стадии превращения глю­ козы в ПВК. Если полное окисление молекулы глюкозы аэробами сопряжено с образованием 38 молекул АТФ, то в ходе брожения образуются только две молекулы АТФ.

§ 28. Микроорганизмы и окружающая среда

Жизнь микроорганизмов неразрывно связа­ на с внешней средой. С одной стороны, деятельность микробов приводит к значительным изменениям окружа­ ющей среды в результате удаления из нее питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой сторо­ ны, интенсивность обменных процессов во многом зависит от условий (факторов) внешней среды. Факторы окру­ жающей среды, влияющие на деятельность микроорга­ низмов, подразделяют на три категории: физические, хи­ мические и биологические.

Физические факторы. К важнейшим физическим фак­ торам, обусловливающим активность микроорганизмов, относятся влажность, температура, свет.

Выше уже говорилось, что для активного роста и раз­ вития микробов необходимо наличие в среде воды. До­ ступной для них формой является вода в жидкой фазе.

Именно поэтому температурный интервал, в котором воз­ можна жизнь микроорганизмов, ограничен температура­ ми от —2° С (или ниже в средах с высоким осмотичес­ ким давлением) до +100° С.

По отношению к температуре микроогранизмы делят­ ся на три группы:

1.Психросрилы, или холодолюбивые (от греч. psych- ria—холод, phileo — люблю). Эти микроорганизмы спо­ собны развиваться в интервале температур от —8 до +30° С. Оптимальной для них является температура 10—15° С. К этой группе относятся главным образом микроорганизмы, населяющие северные моря и почвы холодных стран.

2.Термофилы, или теплолюбивые (от греч. therme — тепло). Температурный диапазон их развития от 30 до 85° С, с оптимумом около 50—60° С. Микроорганизмы этой группы обитают в горячих источниках и в гниющем навозе. Термофильные бактерии участвуют в процессах брожения осадка на городских очистных сооружениях канализации.

3.Мезофилы (от греч. mesos — средний). Эти микро­ организмы развиваются в интервале температур от 5 до 50° С. Оптимальной для них является температура 25— 37° С. К мезофильным микроорганизмам относится боль­ шинство бактерий, простейших, грибов, дрожжей. К этой же группе относятся и все патогенные для человека и теп­ локровных животных организмы.

Способность развиваться при определенной темпера­ туре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Так, многие микроорганизмы при тем­ пературе ниже нуля сохраняют жизнеспособность дли­ тельное время, но активная их жизнедеятельность при такой температуре приостанавливается. Споры многих бактерий не погибают даже при температуре жидкого водорода (—252° С).

Значительно менее устойчивы микроорганизмы к дей­ ствию высоких температур. Большинство иеспороносных бактерий погибает при температуре 70° С в течение 10— 15 мин, при 100° С в течение 1 мин. Губительное дейст­ вие высоких температур связано с денатурацией белков.

Большинство микроорганизмов хорошо растет в тем­ ноте.- Исключение составляют фотосинтезирующие, использующие энергию солнечного луча. Прямой солнеч­ ный свет губительно Действует на микроорганизмы. Бак-

68

терицидное (убивающее) действие его обусловлено глав­ ным образом ультрафиолетовыми лучами. Адсорбция ультрафиолетовых лучей белками и нуклеиновыми кис­ лотами клетки приводит к необратимым химическим из­ менениям. Наиболее чувствительны к действию света ве­ гетативные клетки. Большинство патогенных микробов более чувствительно к ультрафиолетовым лучам, чем сапрофиты. Эти лучи обладают низкой проникающей способностью и действуют в основном на поверхности.

Химические факторы. Концентрация водородных ио­ нов оказывает существенное влияние на развитие микро­ организмов. Большинство бактерий предпочитает среды со значениями рН, близкими к нейтральной (6,5—7,5). Однако есть некоторые виды бактерий, хорошо растущих в щелочной или более кислой среде. Благоприятной сре­ дой для развития грибов и дрожжей является среда с pH=4-f-6, а актиномицеты лучше растут в слабощелоч­ ной среде.

Отклонение рН от оптимальных значений влечет за собой снижение активности ферментов, изменение прони­ цаемости цитоплазматической мембраны для отдельных ионов и нарушение обменных процессов.

Если то или иное химическое соединение может быть использовано микроорганизмами для питания, то увели­ чение его концентрации до определенного предела вызы­ вает соответствующее увеличение количества микроорга­ низмов. По достижении этого предела рост замедляется, но через некоторое время снова может наступить интен­ сивное развитие.

Многие химические соединения обладают антимик­ робным действием, при этом одни из них только задер­ живают развитие микробов (микробостатическое дейст­ вие), другие обладают микробоцидными (убивающими) свойствами. Микробоцидное действие сильных окислите­ лей лежит в основе широко применяемых методов обез­ зараживания питьевых и сточных вод.

Биологические фактора. Различные виды организмов образуют сложные сообщества — биоценозы, представ­ ляющие собой не случайное скопление организмов, а ор­ ганизованную систему с многообразными типами взаимо­ отношений между представителями отдельных видов. Ос­ новными типами взаимоотношений между микроорганиз­ мами являются симбиоз, метабиоз и антагонизм.

Симбиотические отношения приносят взаимную выго-

69