Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология роста микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 050102 – «Биология» высших учебных заведений
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФГБОУ ВО «ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Клеточная биология, морфология и микробиология»
ФИЗИОЛОГИЯ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ
Учебное пособие
для студентов специальности 050102 – «Биология»
высших учебных заведений
Грозный – 2019
2
Печатается по решению Ученого Совета
Чеченского государственного университета
(протокол № 9 от 27.12. 2018 г.)
Составители:
Ф.С. Турлова – к.б.н., доцент кафедры клеточной биологии,
морфологии и микробиологии ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет»
Я.С. Усаева – к.б.н., доцент кафедры клеточной биологии,
морфологии и микробиологии ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет»
А.М. Дохтукаева – к.б.н., доцент кафедры клеточной биологии,
морфологии и микробиологии ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет»
Л.Г. Молочаева – к.б.н., доцент кафедры клеточной биологии,
морфологии и микробиологии ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет»
Рецензенты:
А.С. Абдурзакова – декан факультета естествознания, доцент
кафедры биологии и методики ее преподавания ФГБОУ ВО
«Чеченский государственный педагогический университет»
Р.И. Хасанова – доцент кафедры клеточной биологии,
морфологии и микробиологии ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет»
Турлова Ф.С., Усаева Я.С., Дохтукаева А.М., Молочаева Л.Г. Физиология
роста микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 050102
– «Биология» высших учебных заведений. – Грозный: издательство ФГБОУ ВО
«Чеченский государственный университет», 2019. – 82 с.
В настоящем учебном пособии содержатся основные сведения по
физиологии микроорганизмов. В пособие включены тесты для самоконтроля
знаний студентов. Данное учебное пособие предназначено студентам
биологических, экологических и сельскохозяйственных специальностей,
школьным учителям биологии.
©Турлова Ф.С., Усаева Я.С., Дохтукаева А.М., Молочаева Л.Г., 2019 г.
©Чеченский государственный университет, 2019 г.
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
5
1.
Химический состав микроорганизмов
5
2.
Поступление питательных веществ в клетку
9
2.1
Факторы, влияющие на проницаемость клетки
9
2.2.
Электрический заряд на поверхности клетки
13
3
Питание бактерий
13
3.1.
Различия в потребностях питания у разных видов бактерий
20
3.2.
Различия в используемом источнике энергии
20
3.3.
Различные источники усвояемого углерода
21
3.4.
Различные источники усвояемого азота
21
3.5.
Потребности бактерий в витаминах
22
4.
Метаболизм бактериальной клетки
23
4.1.
Ферменты бактерий
23
4.2.
Специальные методы выделения и изучения
Бактериальных ферментов
24
4.3.
Особенности метаболизма у бактерий
24
4.4.
Виды пластического обмена
26
5.
Дыхание микроорганизмов
29
6.
Образование микробами пигментов
30
7.
Рост микроорганизмов
32
7.1.
Условия роста
34
7.2.
Рост бактерий в статистической культуре
35
7.3.
Рост в непрерывной культуре
36
7.4.
Рост бактерий в периодической культуре
38
8.
Питательные среды
41
8.1.
Требования, предъявляемые к питательным средам
43
8.2.
Количественный учет микроорганизмов
44
8.3.
Получение микробных препаратов-стимуляторов и регуляторов
роста
46
9.
Получение микробных препаратов-стимуляторов и регуляторов
роста
48
9.1.
Действие физических факторов на микроорганизмы
48
9.2.
Действие химических факторов на микроорганизмы
50
9.3.
Биологические факторы среды
51
10.
Специальная часть
52
10.1.
Правила работы и основы техники безопасности в учебной
микробиологической лаборатории
52
4
11.
Лабораторная работа №1
53
11.1.
Изучение устройства микроскопа и техники микроскопирования
53
12.
Лабораторная работа №2
58
12.1
Методы приготовления микробиологических препаратов
58
13.
Лабораторная работа № 3
59
13.1.
Морфология бактерий, их микрокопирование
59
14.
Лабораторная работа № 4
61
14.1.
Методы культивирования микроорганизмов
61
15.
Лабораторная работа № 5
66
15.1.
Получение накопительной культуры
66
12.
Тесты для самоконтроля
68
Список использованной литературы
81
5
ВВЕДЕНИЕ
Цель настоящего учебного пособия – помочь студентам вузов,
обучающимся по специальности 050102 – «Биология», а также
экологических и сельскохозяйственных специальностей, овладеть
знаниями по физиологии роста микроорганизмов. Пособие будет
способствовать лучшему усвоению программы курсов
«Микробиология», «Почвенная микробиология», «Физиология
микроорганизмов» в соответствии с действующими
Государственными образовательными стандартами высшего
профессионального образования для данных специальностей, также
будет полезно школьным учителям биологии.
Пособие познакомит студентов с химическим составом
микроорганизмов, метаболизмом, питанием, дыханием
микроорганизмов, ростом и размножением микроорганизмов,
действием физических, химических и биологических факторов на
микроорганизмы, поможет овладеть правилами работы с культурами
микроорганизмов и методами приготовления питательных сред, их
стерилизации.
Мы надеемся, что данное пособие встретит хороший прием со
стороны преподавателей, аспирантов, студентов, интересующихся
проблемами физиологии микроорганизмов, а также со стороны
преподавателей, аспирантов и студентов в смежных областях
биохимии, ботаники, зоологии и просто желающих ознакомиться с
основами физиологии микроорганизмов.
Тема 1. Химический состав микроорганизмов
Химический состав микроорганизмов сходен с химическим
составом клеток животных и растений.
Важнейшими химическими элементами, преобладающими в
составе клеток микроорганизмов, является углерод, кислород, Н2, N2,
S, Р, К, Мg, Са и Fе.Первые из 4 элементов составляют основу
органических веществ - их называют органогенными элементами. Их
соединения 90-97% на сухое вещество. Другие элементы минеральные, на их долю приходится 3-10%. В очень малых
количествах в состав входят микроэлементы (Cu, Mn, Zn, Mo,Со, Ni),
но при этом выполняют важную роль в процессах
жизнедеятельности. Абсолютное и относительное содержание всех
6
компонентов значительно колеблется в зависимости от состава
культуральной среды.
Бактериальная клетка состоит из воды и сухого вещества,
представляющего собой смесь органических и минеральных веществ.
Вода
Вода является главной по количеству составной частью клетки.
В составе микроорганизмов она занимает 75-90% массы,
особенно в молодых клетках, а в старых – 55-60%. Вода в клетках
частично связана с другими компонентами путем адсорбции или
другой химической связи. Связанная вода не является растворителем,
и поэтому её физиологическая роль отличается от роли свободной
воды. Все вещества поступают в клетку только с водой и с ней же
удаляются.
Вода в свободном состоянии является хорошим растворителем
органических и минеральных соединений, также служит дисперсной
средой для коллоидов. Участвует во многих химических реакциях,
протекающих в клетке. Содержание свободной воды в клетках может
изменяться в зависимости от условий внешней среды,
физиологического состояния клетки, ее возраста. Потеря свободной
воды влечет за собой гибель клетки.
Органические вещества
Органическую часть сухого вещества клетки можно разделить
на белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и другие
соединения, не относящиеся к этим группам.
В природных условиях соединение сложных молекул в более
крупные комплексы происходит, по-видимому, за счет остаточных
валентностей. Прочность комплекса часто зависит от таких факторов,
как степень растворимости вещества, величина рН, окислительновосстановительный потенциал среды и т.д. Комплекс в целом может
отличаться от входящих в него отдельных компонентов степенью
токсичности, антигенными свойствами, отношением к различным
красителям и физиологической активностью. Например, в тифознопаратифозно-дизентерийной группе специфичность типа
определяется наличием полисахаридно-белкового комплекса,
содержащего фосфор. Специфичность типа связана с
полисахаридным компонентом, но антигенные свойства и
токсичность являются свойством всего комплекса. У пневмококка
7
характер антигенных свойств молекулы нуклеопротеида меняется
при присоединении к нуклеопротеиду специфического углевода.
Сухое вещество тела микроорганизмов не превышает 15-25% и
состоит преимущественно (до 95%) из органических соединений белков, углеводов, жиров, липидов и др. Минеральные соединения
составляют не более 5-15% сухого вещества. Большая часть
минеральных элементов в клетке химически связана с органическими
веществами и входит в их состав.
Содержание белковых веществ у бактерий достигает 40-80%
сухого вещества, у дрожжей 60%, у грибов - 15-40%. Белки
выполняют две основные функции: входят в состав всех мембран
клетки; играют роль ферментов. Среди белков есть также токсины.
Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Благодаря тому, что
микроорганизмы богаты белками,возможно, их пищевое и кормовое
использование. Продуцировать белкимогут дрожжи, бактерии и
водоросли, особенно,цианобактерии.
В состав клеток микроорганизмов входят азотистые вещества аминокислоты, пурины и др.
Углеводы в теле микроорганизмов используются для синтеза
белков и жиров, построения клеточных оболочек и капсул, а также в
качестве энергетического материала в дыхательных процессах.
Углеводы, как и белки, могут откладываться в клетках в виде
запасных питательных веществ. Содержание углеводов достигает 1030% их сухой массы (бактерий); у грибов выше 40-60%.
Содержание липидов в клетке микроорганизмаоколо10% сухой
массы. В редких случаях у дрожжей и грибов может доходить до
40%. В клетках микроорганизмов жировые вещества находятся в
свободном (как запасные вещества) и в связанном состоянии, в
комплексе с белками и углеводами. Больше всего липидов
сосредоточено в цитоплазматической мембране клеток.
Содержание нуклеиновых кислот в бактериальной клетке
зависит от свойств данного штамма в культуральной среде. Большая
часть нуклеиновых кислот обычно приурочена к клеточным
структурам и связана с белками и другими сложными радикалами.
Существуют штаммы, у которых большая часть РНК находится в
свободном состоянии, и её можно обнаружить в цитоплазме в форме
зерен, называемых зернами волютина. Волютин широко
распространён среди бактерий, грибов, водорослей и простейших, но
8
не обнаружен в клетках высших растений и животных. Волютин
представляет собой побочный продукт некоторых процессов обмена,
связанных с ростом клеткой, и используется клеткой как источник
азота и фосфора, но не как источник энергии. Во время роста клеток
происходит накопление волютина, в старых культурах при голодании
клеток он исчезает. Кроме волютина в бактериальной клетке
встречаются липоидные, углеводные, серные включения, включения
карбоната кальция.
В микроорганизмах имеются также кислоты и их соли, спирты,
пигменты, витамины.
Пигменты(красящие вещества).
Пигменты в значительной доле находятся в составе бактерий,
дрожжей, грибов. Пигменты могут выделяться из клеток в среду. У
некоторых бактерий они выполняют роль хлорофилла зеленых
растений, участвуя в ассимиляции углекислого газа. Они участвуют в
процессах дыхания, обладают антибиотической активностью.
Зелёные пигменты.
Хлорофилл можно экстрагировать из пурпурных бактерий
метиловым и этиловым спиртом. Экстракты хлорофилла обладают
характерной красной флуоресценцией и имеют типичный для этого
зеленого пигмента спектр поглощения с одним отличием, а именно
наличием отсутствующего у хлорофилла зеленых растений
дополнительного максимума поглощения в инфракрасной области
спектра. В живой клетке хлорофилл находится в соединении с
белками. Этот пигментно-белковый комплекс был выделен из клеток
и назван фотосинтином. От хлорофилла аи в зеленыхрастений,
бактериальный хлорофилл отличается наличием ацетильной группы
вместо винильной. Все пурпурные бактерии, видимо содержат один и
тот же бактериохлорофилл, тогда как зеленые бактерии имеют другой
хлорофилл.
Красные и желтые пигменты. Обработка воздушно-сухих клеток
пурпурных бактерий бисульфитом углерода или хлороформом дает
возможность экстрагировать из них ярко окрашенные вещества,
представляющие собой каратиноидные пигменты. При помощи
хроматографии из пурпурных бактерий выделены в чистом
кристаллическом виде ряд каратиноидов. Для пурпурных бактерий
описано около шести красных и желтых каратиноидных пигментов. У
некоторых пурпурных бактерий воздух оказывает заметное влияние
9
на тип образующихся каратиноидов. Чистые культуры, растущие
ваэробных условиях в темноте, образуют небольшое количество
каратиноидного пигмента. В освещенных культурах, на которые
кислород не оказывает существенного влияния, пигмента образуется
значительно больше.
Минеральные вещества
Соотношения различных элементов значительно меняются в
зависимости от состава среды. Нет возможности установить, какое
именно количество зольных элементов содержится в органических и
неорганических соединениях. Фосфор, обычно встречающийся в
наиболее высоких концентрациях, входит в состав молекулы
нуклеиновых кислот, фосфолипидов и некоторых коферментов. У
грам+ бактерий магний в соединение с РНК; он находится также в
бактериальном хлорофилле, также с его присутствием связана
деятельность таких ферментов, как некоторые фосфатазы. Железо
является составной частью цитохрома. Сера входит в молекулу
глутатиона и аминокислот цистеина и метионина. Микроэлементы
являются обязательной составной частью всех органических
соединений; угольная ангидраза, например, содержит 0,33% цинка.
Минеральные соли элементов, присутствующих в больших
количествах, играют важную роль в динамике роста, размножения и в
других клеточных процессах; такнапример, они создают
осмотическое давление, влияют на коллоидные системы и на
проницаемость клеточной оболочки, влияют на скорость и
направление многих биохимических реакций, протекающих в клетке.
Некоторые являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.
Тема 2. Поступление питательных веществ в клетку
2.1. Факторы, влияющие на проницаемость клетки
Протоплазма бактериальной клетки всегда окружена двумя
оболочками – цитоплазматической мембраной и клеточной
оболочкой, а очень часто и третьей – слизистым слоем. Каждая из
этих оболочек обладает полупроницаемостью и выполняет
определенную роль в физической защите клетки и регулировании
обмена между внутренней средой клетки и внешней средой.
10
Проницаемость изменяется в зависимости от факторов, свойственных
самой клетке, и факторов среды.
Клетки молодой культуры более проницаемы, чем клетки зрелой
культуры, и поэтому более чувствительны к внешним воздействиям,
в том числе и к содержанию в среде питательных веществ. Мертвые
клетки отличаются высокой проницаемостью; живые клетки,
помещенные в разведенный раствор основного красителя, который
они не восстанавливают, могут в течение длительного времени
оставаться бесцветными.
Проницаемость клетки может изменяться под действием
физических раздражителей, например, света, электрического тока.
Большой интерес представляет влияние одного электролита на
проницаемость для другого, например, проницаемость для ионов
лиотропного ряда изменяется следующим образом:
K+ > Na+ >Li+ >Mg
++
>Ba
++
>Ca++,
J- >Br- >NO
3
-
>Cl->Винная-(виннокаменная) >SO
4
- -
>цитрат
- - -
Установлено, что проницаемость клетки для каждой из солей
данного катиона уменьшается под действием любой другой соли,
катион которой находится в ряду справа от первого катиона. Это
физиологически важное явление было названо антагонизмом ионов.
Если рост культуры тормозится наличием ионов К+ или Na+, то часто
можно восстановить её рост добавлением к среде Mg++или Са
++.
Поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена в
окружающую среду происходит у микроорганизмов через всю
поверхность тела путем осмоса или адсорбции. На интенсивность
этих процессов оказывают различные факторы: разность
концентрации питательных веществ в клетке и за ее пределами, а
также проницаемость для них плазменной оболочки.
Осмос представляет собой диффузию веществ в растворах через
полупроницаемую мембрану. Возникает осмос под действием
разности осмотических давлений в растворах по обе стороны
полупроницаемой мембраны. Величина осмотического давления
раствора зависит от молярной концентрации растворенных в нем
веществ.
Оболочка клетки проницаема и задерживает лишь
микромолекулы. Цитоплазматическая мембрана клетки обладает
полупроницаемостью: она является осмотическим барьером,
регулируя поступление в клетку и выход из нее растворенных
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]