Химия воды и микробиология. Учебное пособие

51

том, что донором водорода является не вода, а другие соединения и что фоторедукция не сопровождается выделением кислорода.

Фоторедуцирующие бактерии развиваются в освещенных загрязненных водоемах, глее в результате разложения органических веществ в изобилии образуется сероводород. Используя H2S в процесс фоторедукции. Эти бактерии

играют важную роль в уничтожении непринятых запахов (дезодорации). Хемоавтотрофы. Явление усвоения углекислоты без участия света при

сопряженном использовании энергии окисления неорганических соединений было открыто С.Н. Виноградским в конце ХIX в. В природных и сточных водах из этой группы микроорганизмов наиболее распространены следующие.

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

Нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Они участвуют в круговороте азота, их деятельность обеспечивает почве плодородие. В последние годы нитрификация нашла применение в качестве одной из стадий процесса глубокой очистки сточных вод от соединений азота.

2.Железобактерии получают энергию в результате окисления солей закисного железа:

4FeCO3 +O2 +6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 +167 кДж .

Процесс синтеза 1 г клеточного вещества сопровождается образованием примерно 500 г гидроксида железа. С деятельностью железобактерий связывают образование болотных руд на дне водоемов.

3. Бесцветные серобактерии, к числу которых относятся широко распространенные в сточных и загрязненных водах бактерии рода Beggiatoa, в качестве источников энергии используют реакции сероводорода и серы:

Если в среде достаточно сероводорода, эти бактерии проводят реакцию (1), откладывая серу в клетках в виде запасного вещества. При недостатке Н2S

протекает реакция (2).

Хемогетеротрофы. К этой подгруппе относится огромное число организмов, получающих энергию в результате биологического окисления сложных органических веществ – доноров водорода в окислительно-восстановительных реакциях энергетического обмена.

Биологическое окисление органических веществ микроорганизмами представляет собой сложные процессы двух типов: дыхание и брожение.

1. Дыхание называется аэробным, если роль конечного акцептора водорода выполняет только свободный кислород.

Микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, называются облигатными

аэробами.

В качестве источников энергии (доноров водорода) хемогетеротрофы в процессе дыхания могут использовать большой набор окисляемых

52

органических соединений: углеводы, жиры, белки, спирты, органические кислоты и т.д. Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов выражается следующим уравнением:

С6H12O6 +6H2O → 6CO2 +6H2O+2820 кДж.

На самом деле это сложный многостадийный процесс, включающий ряд последовательных ферментативных реакций.

Источником энергии для микробов могут служить и жиры. Гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и высших жирных кислот, дальнейшие пути превращения которых различны.

Окисление питательных веществ не всегда протекает до конца. Некоторые аэробы окисляют органические соединения частично, при этом в среде накапливаются промежуточные продукты окисления.

Полагают, что, используя для получения энергии такие соединения, как спирты, углеводороды, органические кислоты и т.д., микроорганизмы преобразуют эти вещества и на определенном этапе включают их в обменный цикл углеводов и жиров. Например, при использовании углеводорода подвергается последовательно окислению молекулярным кислородом, дегидрированию, гидролизу. Образовавшиеся в результате жирные кислоты включаются в рассмотренный выше цикл превращений.

Если микроорганизмы лишены источников питания, они некоторое время могут существовать за счет внутриклеточных запасов, в основном полисахаридов и жиров. Эндогенное дыхание за счет этих веществ протекает по тому же пути, что и окисление экзогенных источников энергии. Когда запасы питательных веществ исчерпаны, начинается окисление клеточных белков.

Некоторые микроорганизмы в процессе дыхания могут использовать в качестве конечного акцептора водорода не кислород, а окисленные соединения азота (нитриты, нитраты), серы (сульфаты), углерода ( СО2 ). Такой процесс

дыхания называется анаэробным.

Использование нитратов в процессе дыхания присуще многим видам денитрифицирующих бактерий. Пути превращения веществ в процессе нитратного дыхания те же, что и при аэробном дыхании. Денитрификаторы имеют два ферментные системы, одна из которых позволяет им в присутствии кислорода осуществлять процесс аэробного дыхания. Вторая ферментная система имеет ту же самую цепь переноса водорода, как и первая, с той лишь разницей, что в цитохромной системе вместо цитохромоксидазы присутствует фермент нитратредуктаза. Микроорганизмы, способные развиваться как в присутствии кислорода, так и без него, называются факультативными анаэробными.

Денитрификация в природе является одной из стадий круговорота азота. На очистных сооружения канализации этот процесс в сочетании с нитрификацией применяется для полного удаления соединений азота из сточных вод.

53

Микроорганизмы, использующие в процессе дыхания сульфаты и диоксид углерода, называются строгими анаэробными. Кислород и другие окислители являются для них ядом.

2. Анаэробный процесс биологического окисления органических веществ, при котором акцептор водорода (также органическое вещество) образуется в ходе распада окисляемого субстрата, называется брожением.

Процессы брожения осуществляется многими видами бактерий и дрожжей. Существует несколько типов брожений, названием которым по конечному продукту: спиртовое – дрожжами, пропионовокислое – пропионовокислыми бактериями, метановое – метанобразующими бактериями. Сбраживанию подвергаются в основном углеводы, но многие бактерии способны сбраживать самые разнообразные соединения: органические кислоты, аминокислоты, пурины и т.д.

В отличие от аэробов анаэробы, осуществляющие процессы брожения, не имеют полной цепи ферментов переноса водорода, поэтому не могут использовать кислород в качестве конечного акцептора водорода.

5.5. Микроорганизмы и окружающая среда

Различные виды организмов образуют сложные сообщества – биоценозы, представляющие собой организованные системы с разнообразными типами взаимоотношений между представителями отдельных видов.

Симбиотические отношения приносят взаимную выгоду симбионтам. Совместный рост таких организмов протекает лучше, чем развитие их по отдельности. Примером симбиотических взаимоотношений является симбиоз зеленых водорослей и инфузорий. Водоросль, поселяясь внутри тела инфузории, использует энергию света для превращения СО2 в органические

вещества, выделяя при этом кислород. Инфузория потребляет кислород для окисления органических веществ в процессе дыхания, образуя в итоге СО2 .

Широко распространенным типом взаимоотношений является метабиоз, при котором жизнедеятельность одних микроорганизмов создает условия для развития других. Метабиотические взаимоотношения обусловливают последовательность превращений одних в другие и лежат в основе круговорота веществ в природе. Примером таких взаимоотношений могут служить сообщество факультативных и облигатных анаэробов, осуществляющих процесс брожения осадков сточных вод в метантенках, а также нитрифицирующие бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter.

Антагонистические взаимоотношения между микроорганизмами очень разнообразны. Это и хищничество (пожирание бактерий простейшими), и паразитизм (уничтожение бактерий бактериофагами), и выделение в среду продуктов обмена, снижающих жизнедеятельность других организмов или убивающих их. Например, конечный продукт обмена молочнокислых бактерий

54

– молочная кислота – препятствует развитию гнилостных бактерий. Некоторые виды грибов и актиномицетов выделяют в среду биологически активные вещества – антибиотики, обладающие бактерицидными действием.

Антагонизм в микромире является одним их важнейших факторов, определяющих состав биоценозов.

Состав и характер биоценозов в значительной степени зависит от условий окружающей среды, с которой неразрывно связана жизнь микроорганизмов. С одной стороны, деятельность микробов приводит к значительным изменениям окружающей среды в результате удаления из нее питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой стороны, – интенсивность обменных процессов внутри клетки во многом зависит от условий (факторов) окружающей среды. Факторы окружающей среды, влияющие на деятельность микроорганизмов, подразделяют на физические и химические.

Физические факторы. К важнейшим физическим факторам, обусловливающим активность микроорганизмов, относятся влажность, температура, свет. Для активного роста и развития микробов необходимо наличие в среде воды. Доступной для них формой является вода в вапельножидком состоянии. Именно поэтому температурный интервал, в котором возможна жизнь микроорганизмов, ограничен температурами от -2 0 С (или ниже в средах с высоким осмотическим давлением) до +100 0 С .

По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы.

1.Психрофилы, или холодолюбивые (от греч. psychia – холод, phileo – люблю). Эти микроорганизмы способны развиваться в интервале температур от -2 до +30 0 С . Оптимальной для них является температура 10 - 15 0 С . К организмам этой группы относятся обитатели северных морей, почв, некоторые микроорганизмы очистных сооружений канализации.

2.Термофилы, или теплолюбивые (от греч. therme - тепло). Температурный диапазон их развития 30 – 85 º С с оптимум около 50 – 60 º С. Микроорганизмы этой группы обитают в горячих источниках и в гниющем навозе. Термофильные бактерии участвуют в процессе сбраживания осадков на городских сооружениях канализации.

3.Мезофиллы (от греч. mesos – средний). Эти микроорганизмы развиваются

винтервале температур от 5 до 50 ºС. Оптимальной для них является

температура 25 – 37 º С. К мезофильным микроорганизмам относятся большинство бактерий, простейших грибов. К этой же группе относятся и все патогенные для человека и теплокровных животных организмы.

Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Так, многие микроорганизмы при температуре ниже нуля сохраняют жизнеспособность длительное время, но активная их жизнедеятельность при такой температуре приостанавливается. Споры многих бактерий не погибают даже при температуре жидкого водорода (- 252 ºС).

55

Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Большинство неспороносных бактерий погибает при температуре 70 ºС в течение 10 – 15 мин., при 100 ºС в течение 1 мин. Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белков.

Большинство микроорганизмов хорошо растет в темноте. Исключение составляют фототрофы, использующие энергию солнечного луча. Прямой солнечный свет губительно действует на микроорганизмы. Микробоцидное (убивающее) действие его обусловлено главным образом ультрафиолетовой частью спектра. Адсорбция ультрафиолетовых лучей белками и нуклеиновыми кислотами клетки приводит к необратимым химическим изменениям. Наиболее чувствительны к действию света вегетативные клетки. Большинство патогенных микробов более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем сапрофиты. Эти лучи обладают низкой проникающей способностью и действуют в основном на поверхности.

Химические факторы. Концентрация водородных ионов оказывает существенное влияние на развитие микроорганизмов. Большинство бактерий предпочитает среды с рН, близким к нейтральному (6,5 – 7,5). Однако есть некоторые виды бактерий, хорошо растущих в щелочной или более кислой среде. Благоприятной средой для развития грибов является среда с рН = 4 – 6, а актиномицеты лучше растут в щелочной среде.

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

Многие химические соединения обладают антимикробным действием, при этом одни из них только задерживают развитие микробов (микробостатическое действие), другие обладают микробоцидными свойствами. Такие соединения обычно называют ядами. Однако абсолютных ядов не существует, и степень их воздействия на микроорганизмы зависит от концентрации, продолжительности контакта и вида микробов. Многие яды в очень малых концентрациях оказывают даже стимулирующее действие, повышая биохимическую активность микроорганизмов.

Среди неорганических веществ микробоцидным эффектом обладают соли тяжелых металлов, такие окислители, как хлор, озон, бром, йод. Соединения серебра и меди проявляют микробоцидное действие в ничтожно малых концентрациях. Такое действие называется олигодинамическим (от греч. oligos

–малый). Сильными ядами для микробов являются и некоторые органические соединения: фенолы, спирты, формалин и т.д. В то же время многие из этих веществ специфическими группами микроорганизмов могут использоваться в качестве источников углеродного питания. Целый ряд химических соединений

–микробных ядов используется для обеззараживания различных материалов. Микробоцидное действие сильных окислителей лежит в основе широко применяемых методов обеззараживания питьевых и сточных вод.

56

6.РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМЫ В ПРЕВРАЩЕНИЯХ

ИКРУГОВОРОТЕ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

Вбиосфере протекает непрерывный процесс созидания и разрушения органического вещества при активном участии микроорганизмов. Совокупность происходящих процессов составляет биологический круговорот,

вкоторый вовлечены все химические элементы, входящие в состав живой материи. Особый интерес представляют круговороты основных органогенов – углерода и азота. Биохимические процессы разложения органических веществ, осуществляемые микроорганизмами в природных условиях, лежат в основе биологических методов очистки сточных вод.

Естественные циклы превращений углерода и азота в значительной мере нарушаются в результате хозяйственной деятельности человека. Так, атмосфера обогащается диоксидом углерода, образующимся при сжигании различных видов топлива; атмосферный азот используется в промышленности для получения аммиака и азотной кислоты.

6.1.Круговорот углерода и азота

Микроорганизмы используют углерод различных соединений для построения своего тела, поэтому они являются активными участниками превращения углеродистых соединений в природе. Это можно проследить по схеме круговорота углерода в природе (рис. 6.1).

На практике большое значение имеет биохимический распад белков. Процесс распада белков или их производных под влиянием гнилостных бактерий называется гниением. Процессы гниения могут происходить аэробно и анаэробно. Гниение сопровождается выделением резко пахнущих веществ: аммиака, сероводорода, скатола, индола, меркаптанов и т.д.:

Рис. 6.1. Схема круговорота углерода в природ

57

Однако не всегда распад белка доходит до образования этих веществ. Например, при минерализации органического вещества на очистных сооружениях происходит более глубокое разрушение белков до образования продуктов, не обладающих неприятным запахом.

Микроорганизмы используют в большинстве случаев азот белка в виде промежуточных продуктов распада (аминокислот) и в форме конечного продукта – солей аммония – для вторичного синтеза протеинов. Но белок содержит и другие органогены (С, Р, S, H, O),необходимые для построения бактериальной клетки. Кроме того, белок как соединение высококалорийное может служить и источником энергии для организма.

Одним из продуктов белкового обмена веществ в животном организме

NH2

является мочевина С = О .

NH2

Под влиянием микроорганизмов (в особенности уробактерий) в канализационной сети происходит гидролиз мочевины по уравнению

CO(NH2 )+2H2O=(NH4 )2CO3

Этот процесс может происходить как в аэробных, так и анаэробных условиях.

Углекислый аммоний как соль слабой кислоты и слабого основания подвержен гидролизу:

Для гидроокиси аммония характерно равновесие

(этим объясняется аммиачный запах в санитарных узлах).

В процессе интрификации азот аммонийных солей окисляется в азотистокислые соли (нитриты) и в азотнокислые (нитраты). Процесс этот идет в две фазы под влиянием двух типов микроорганизмов. Возбудитель первой фазы – нитритные бактерии (Nitrosomonas):

2NH3 +3O2 → 2HNO2 +2H2O+158 ккал

Вторая фаза – окисления нитритов в нитраты – осуществляется нитратными бактериями (Bact nitrobacter):

2HNO2 +O2 → 2HNO3 +43 ккал

Окисление протекает очень медленно. Опыты показали, что в одинаковых условиях окисление 10 мг аммонийного азота в нитриты происходит за 15 дней, а окисление 10 мг нитритов в нитраты – за 40 дней.

На скорость нитрификации большое влияние оказывает температура. В интервалах температур от 9 до 26 0 Сэтот процесс мало изменяется, но ниже 9 0 С падает, при 6 0 С резко замедляется, а при 0 0 С нитрификация практически полностью прекращается .

В природе существует микроорганизмы, вызывающие процесс денитрификации, т.е. восстановление азотнокислых солей до газообразного азота. Эти бактерии относятся к группе факультативных анаэробов. Процесс

58

денитрификации протекает при наличии в среде безазотистых веществ: углеводов, клетчатки, солей летучих жирных кислот и др. Такие вещества окисляются освободившимся из нитратов кислородом. Очевидно, в этом заключается энергетический смысл процесса. Схематически процесс денитрификации можно записать уравнением

4KNO3 +5Copr → 2K2CO3 +3CO2 +2N2

Эти процессы протекают при отсутствии свободного кислорода и при наличии органического вещества и нитратов и очень распространены в природе.

Процесс денитрификации может протекать при отсутствии органического вещества и при наличии серы:

6KNO3 +5S+2CaCO3 =3K2SO4 +2CaSO4 +2CO2 +3N2

Этот процесс вызывается микробом Thiobacterium denitrificans и может происходить в некоторых частях канализационных сооружений, не омываемых сточной жидкостью (своды, перекрытия, стенки колодцев).

В природе существует микроорганизмы, способные фиксировать атмосферный азот. Представители этих организмов есть и среди аэробов

(Azotobacter), и среди анаэробов (Bac. amylobacter, Clostridim pasteurianum).

Фиксация азота имеет громадное значение, так как обогащает окружающую среду азота (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема круговорота азота в природе

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите отличительные признаки микроорганизмов и поясните их значение.

59

2.Основу строения клеток всех живых организмов составляют… Закончите ответ.

3.Почему большинство микроорганизмов не могут быть отнесены к животному или растительному миру?

4.Что означает термин “ протисты”?

5.В чем принципиальные различия в строении клеток прокариот и эукариот?

6.Перечислите органеллы, присущие клеткам как высших, так и низших протистов.

7.Синтез белка осуществляется: в митохондриях, цитоплазматической мембране, ядре, рибосомах, комплексе Гольджи. Выберите правильный ответ.

8.Разделите все известные вам микроорганизмы на две группы в зависимости от строения аппарата.

9. носителем наследственной информации в клетке является… закончите ответ.

10.Митохондрии – органеллы, в которых происходит синтез белка, энергетические процессы, накапливание продуктов обмена. Выберите правильный ответ.

11.Среди микроорганизмов самым высокоорганизованными являются простейшие класса … Более высокий уровень организации их клеток проявляется … Закончите ответ.

12.Поясните сущность процесса спорообразования у бактерий. У каких микроорганизмов возможен аналогичный по сути процесс? Как он называется?

13. Светочувствительные пигменты присуще клеткам… Перечислите группы микроорганизмов, скажите, как называются органеллы, в которых сосредоточены светочувствительные пигменты.

14.Какие микроорганизмы обладают признаками грибов и бактерий?

15.Чем отличается процесс спорообразования у грибов и бактерий?

16.Какие микроорганизмы не имеют клеточного строения? В чем состоит их жизненный цикл?

17.Какие функции выполняют ферменты в клетке?

18. Активной частью фермента является … для первичных дегидрогеназ им является … Дополните ответ.

19.Какой тип взаимоотношений между микроорганизмами является определяющим в круговороте веществ в природе.

20.Гидролизы катализируют реакции гидролиза. Оксидоредуктазы

катализируют … закончите ответ.

21.Дайте характеристику ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз.

22.Энергию какого химического соединения используют все живые организмы для внутриклеточных процессов?

23.Для чего клетке нужны азот и фосфор?

24.В чем отличия автотрофов от гетеротрофов, фототрофов от хемотрофов, сапрофитов от паразитов?

60

25. Как называются микроорганизмы, использующие энергию химических реакций и потребляющие СО2 в качестве источника углерода? Приведите

пример.

26.Поясните сущность процесса дыхания.

27.Расскажите об особенностях процесса брожения.

28.На примере окисления глюкозы в процессе дыхания и спиртового брожения покажите, в каком из процессов выделяется больше энергии и почему.

29.Почему в клетках всех живых организмов окисления питательных веществ происходит постепенно, в несколько этапов?

30.В чем проявляется взаимосвязь конструктивного и энергетического обменов?

31.Дайте определения биоценозу, поясните от чего зависти его состав.

32.Какой тип взаимоотношений характерен для бактерий и простейших?

33.В каком температурном интервале способны жить микроорганизмы? Чем объясняются его нижняя и верхняя границы?

34.Какая температура называется оптимальной? Чем объясняется различие в температурном оптимуме для разных микроорганизмов?

35.Как называются микроорганизмы, относящиеся к различным температурным группам?

36.Чем объясняется неблагоприятное воздействие низких и высоких значений рН на микроорганизмы?

37.Что такое микробные яды?

38.Оцените роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Возможна ли жизнь микроорганизмов?