Группы микроорганизмов, осуществляющих дыхание.
Хемолитотрофные эубактерии. Эубактерии, у которых источником энергии служат процессы окислениянеорганических соединений, качестве источников энергии хемолитотрофы могут использовать довольно широкий круг неорганических соединений, окисляя их при дыхании (ионы железа, вородод, кислород и др.). Используемые в качестве доноров электронов неорганические соединения различаются окислительно-восстановительными потенциалами. При окислении Н2 водородными бактериями электроны с субстрата включаются в дыхательную цепь на уровнеНАД+, при окислении Fe2+ железобактериями - на уровнецитохрома с, а при окислении NO2 нитрификаторами - на уровнецитохрома а1( рис. 97).
Эубактерии, окисляющие соединения серы. Описано много представителей разных групп эубактерий, способных окислять восстановленные соединения серы, например, сероводород, тиосульфат, а также молекулярную серу. Это фототрофы, осуществляющиебескислородный фотосинтез. Окисление серы и ее восстановленных соединений может служить источником клеточной энергии, электронов при фотосинтезе, использоваться для детоксикации образующейся при дыханииперекиси водорода.
Железобактерии. Способность осаждать окислы железа и марганца на поверхности клеток присуща многим эубактериям, различающимся морфологическими и физиологическими признаками и принадлежащим к разным таксономическим группам
Как известно, Fe++ подвергается быстрому химическому окислению молекулярным кислородом при рН больше 5,5, что приводит к образованию нерастворимого Fe(OH)3. Мn++ более устойчив к окислению О2, чем Fe++. Его химическое окисление (Мn++ переходит в Мn++++) молекулярным кислородом с заметной скоростью происходит только при рН больше 8,5. Поэтому в нейтральной среде окисление марганца имеет только ферментативную природу.
Процессы протекают в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются все компоненты реакции: восстановленные формы железа и марганца, перекись водорода, каталаза.
Наконец, среди железобактерий есть организмы, у которых окисление Fe++ связано с получением энергии. В этом случае отложение окислов железа служит показателем активности энергетических процессов
Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиака;азотистой кислоты).
Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение NH4+ и перенос его через ЦПМс помощью медьсодержащей транслоказы.
Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа и в почвах, где они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата нитрификации - аммиака.
Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитратную способствует обеднению почвы азотом, поскольку нитраты легко вымываются из почвы. В то же время нитраты - хорошо используемый растениями источник азота. Связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа.
Водородные бактерии. К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами Н2 являются эубактерии. Также активно осуществляется и потребление Н2, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям.
К водородным бактериям относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Таким образом, водородные бактерии - это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н2 ваэробныхусловиях: Н2 + 1/2*О2 переходит в Н2О
Помимо окисления для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. На 5 молекул Н2, окисленного в процессе дыхания, приходится 1 молекула Н2, затрачиваемого на образование биомассы:
6Н2 + 2О2 + СО2 переходит в СН2О + 5Н2О
Молекулярный водород - наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый эубактериями для получения энергии в процессе окисления.
Метилотрофы, или Метилобактерии — аэробные бактерии, использующие в качестве источников углерода и энергии окисленные или замещённые производныеметана, не имеющие С-С связи (около 50 соединений), но неспособные расти на самом метане. Ростовыми субстратами для метилобактерий служатметанол,метиламин,диметиламин,триметиламин, галометаны (хлорметан и дихлорметан), серосодержащие соединения — метансульфоновая кислота, диметилсульфид и многие другие.
Уксуснокислые бактерии — семейство бактерий, которые получают энергию, окисляяэтанолдоуксусной кислоты. Поэтому они часто развиваются вслед задрожжами, используя продукт спиртового брожения каксубстратдля роста. Этограмотрицательныеаэробныепалочковидные бактерии, слабоподвижные за счёт перитрихиально или полярно расположенныхжгутиков, или неподвижные. Довольно требовательны к субстратам для роста.
Аммонифицирующие микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Умеренное, контролируемое иммунитетоморганизма бактериальное гниение белков также является необходимой частьюпищеваренияи происходит в толстомкишечникечеловека и животных.
Бактерии, разрушающие целлюлозу. Целлюлоза - полимер, состоящий из цепочек молекул бета-D-глюкозы, соединенных бета-1,4-гликозидными связями. Цепочки, в свою очередь, объединены в пучки (волокна). Волокна организованы таким образом, что гидрофильные группы целлюлозных цепочек защищены от внешних воздействий. Волокна, кроме того, окружены оболочкой, в состав которой входят воск и пектин. Все это придает целлюлозным волокнам механическую прочность, делает их нерастворимыми в воде и устойчивыми к различным химическим воздействиям.
Эти организмы обладают способностью синтезировать ферменты, расщепляющие целлюлозу. Ферментативное разложение целлюлозы осуществляется с помощью целлюлазного комплекса и состоит из нескольких этапов. Сначала эндо- бета-1,4-глюканаза разрывает гликозидные связи внутри целлюлозной цепочки, что приводит к образованию довольно крупных фрагментов со свободными концами. Затем экзо-бета-1,4-глюканаза катализирует отщепление от конца цепочки дисахарида целлобиозы. И, наконец, последняя гидролизуется до глюкозы с помощью бета-глюкозидазы.
№8
Фотосинтетические пигменты: основные,
вспомогательные.
Фотосистема I, фотосистема II. Реакции процессов. Имеется два типа фотосистем – I и II. Каждая фотосистема содержит 250-400 молекул пигментов. Все пигменты фотосистемы могут поглощать частицы световой энергии, называемые фотонами или квантами света, но только одна молекула хлорофилла данной фотосистемы может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Эта молекула называется реакционным центром фотосистемы, а другие молекулы пигментов называются антенными, поскольку они улавливают энергию света, подобно антеннам, для последующей передачи реакционному центру.
В фотосистеме I реакционный центр образован особой молекулой хлорофилла a, обозначаемой как P700, где 700 – оптимум поглощения в нм. Реакционный центр фотосистемы II также образован молекулой хлорофилла a и обозначается индексом P680, поскольку оптимум поглощения лежит в районе 680 нм. Фотосистемы I и II работают обычно синхронно и непрерывно, но фотосистема I может функционировать отдельно. В случае фотосистемы II энергия света утилизируется реакционным центром P680. Возбужденные энергизированные электроны центра P680 парами переносятся на молекулу соединения, очевидно, относящегося к классу хинонов и называемого акцептором. От акцептора начинается электронный поток, в котором электроны спускаются по электронотранспортной цепи к фотосистеме I. Компонентами этой цепи являются цитохромы – белки содержащие железо и серу, хиноны и белок пластоцианин, содержащий медь. Электронотранспортная цепь между фотосистемами I и II устроена так, что АТФ может образовываться из АДФ и Ф, причем этот процесс аналогичен окислительному фосфорилированию, происходящему в митохондриях. В хлоропластах он связан с энергией света и поэтому получил название фотофосфорилирование.
Молекула P680, потерявшая свои электроны, заменяет их электронами донора. Как известно, таковым в аэробном фотосинтезе является вода. Когда электроны молекулы воды поступают к P680, молекула диссоциирует на протоны и кислород. Это окислительное расщепление молекул воды осуществляется под влиянием энергии солнечного света – фотолиз. Ферменты, ответственные за фотолиз воды, располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Таким образом, фотолиз воды участвует в создании градиента протонов через мембрану, где высокая концентрация протонов оказывается во внутреннем пространстве тилакоидов. Протонный градиент способствует синтезу АТФ из АДФ и фосфата в ходе фотофосфорилирования.
В фотосистеме I энергия света "уловленная" антенными пигментами фотосистемы, поступает в реакционный центр P700. От P700 электроны передаются на электронный акцептор P430, который представляет белок, содержащий железо и серу. P430 передает свой электроны на другой железосеросодержащий белок – ферредоксин, а последний – на кофермент НАД, который восстанавливается до НАД *Н2. Молекула P700 в ходе процесса окисляется, но затем восстанавливает потерянные электроны за счет электронов, поступающих по электронотранспортной цепи от фотосистемы II. Таким образом, на свету электроны перемещаются от воды к фотосистемам II и I, а затем к НАД. Этот однонаправленный поток называется нециклическим потоком электронов, а образование АТФ, которое при этом происходит, - нециклическим фотофосфорилированием.
Фотосистема I может работать независимо от фотосистемы II. Этот процесс называют циклическим потоком электронов. В ходе процесса не происходит фотолиза воды, выделение O2 и образование НАД*Н2, однако образуется АТФ.
№9
1. Количественная оценка роста микроорганизмов. Чистые и смешанные культуры микроорганизмов. Рост – необратимое увеличение количества живого вещества, обычно связанное с увеличением и делением клеток.
При определении числа и массы бактерий пользуются обычно гомогенной суспензией клеток в какой-либо жидкой среде и определяют концентрацию бактерий (число клеток на 1 мл) или плотность бактерий (в мг/мл):
Определение числа бактерий. Общее число клеток:-Подсчет под микроскопом в тонком слое с помощью «счетной камеры» -Применение электронного счетчика («счетчика Каултера») -Метод мембранных фильтров
Число живых клеток: -Подсчитывают число колоний , образуемых жизнеспособными клетками в благоприятных для роста условиях. (Например, размазывают суспензию клеток по поверхности агара в чашке Петри и после инкубации подсчитывают число колоний)
Определение бактериальной массы Прямые методы: -Определение сырой и сухой биомассы после центрифугирования -Опрделение общего азота и общего содержания углерода -Определение содержания бактериального белка
Косвенные методы: -Метод, основанный на измерении мутности клеточных суспензий (оптической плотности суспензии, светорассеяния) -Определение показателей интенсивности метаболизма, непосредственно связанных с ростом (поглощение О2, образование СО2 или кислот) титриметрическими, манометрическими, электрохимическими и др. методами.
Культура микроорганизмов, состоящая из клеток одного вида, носит название чистой культуры.
Если число видов два или более, то говорят о смешанной культуре.
Метод накопительных культур. Суть метода: накопление желаемых микроорганизмов за счет создания элективных условий культивирования, т.е. благоприятных для данной группы.
2. Периодическое культивирование микроорганизмов. Этапы процесса, кривая роста. Параметры, определяемые при данном культивировании. При периодическом культивировании клетки помещают в закрытый сосуд определенного объема, содержащий питательную среду, и задают начальные условия. Постепенно увеличивается плотность популяции, снижается концентрация питательных веществ и накапливаются продукты обмена, т.е. условия существования микроорганизмов изменяются. Периодическую культуру обычно рассматривают как замкнутую систему, переживающую разные фазы развития. Каждая фаза характеризуется определенными физиологическими параметрами.
При изучении динамики роста культур микроорганизмов необходимо строго соблюдать некоторые условия: жизнеспособность засева
наличие в среде культивирования всех необходимых питательных веществ
отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток
поддержание в среде оптимальными всех физико-химических условий.
Первая
стадия -
лаг-фаза, или фаза задержки роста, следует
непосредственно за внесением посевного
материала в питательную среду. В этой
фазе микроорганизмы не размножаются,
а приспосабливаются к среде, происходит
повышение содержания нуклеиновых
кислот, увеличение размера. Эта стадия
является подготовкой к дальнейшему
интенсивному синтезу белка клеткой,
т.е. ее росту и размножению.
Вторая стадия - фаза логарифмического роста (экспоненциальная) характеризуется высокой скоростью размножения клеток, так как в среде много питательных веществ и мало вредных продуктов обмена. Время, необходимое для удвоения числа клеток, называется продолжительностью генерации. В благоприятных условиях клетки бактерий делятся каждые 20-30 мин, их число увеличивается в геометрической прогрессии (1, 2, 4, 8, 16 и т.д.).
Третья стадия - стационарная (фаза зрелости), когда размножение микроорганизмов замедляется, и скорости размножения и отмирания уравновешиваются, в результате чего число клеток остается постоянным.
Четвертая стадия - фаза отмирания, когда начинается гибель клеток и их количество снижается за счет отмирания и самопереваривания. 3. Проточное культивирование микроорганизмов. Основные отличительные моменты данного культивирования. Турбидостат и хемостат. Это способ выращивания микроорганизмов при непрерывном поступлении свежей среды и одновременном сливе того же количества выросшей культуры. По количеству ферментеров (стадий, ступеней) системы могут быть одностадийными, двухстадийными и многостадийными. Одностадийный, многостадийный: В промышленности одностадийный процесс культивирования применяется для получения микробной массы или тех продуктов, кинетика накопления которых повторяет кинетику роста биомассы.
Для получения высоких концентраций биомассы могут быть использованы одностадийные системы с возвратом клеток, в которых клетки, отделенные от культуральной жидкости с помощью насоса, возвращаются обратно в ферментер. Возврат клеток (рециркуляция) имеет значение в тех процессах, в которых за время пребывания в ферментере клетки не успевают реализовать свои потенциальные возможности в отношении синтеза целевого продукта.
Применение многостадийных систем позволяет получать культуру при любой скорости роста – от лаг-фазы до экспоненциальной и стационарной. Многостадийные системы обычно используются для получения вторичных продуктов микробного синтеза, накопление которых в той или иной степени отстает от кинетики роста биомассы.