2. Живлення мікроорганізмів

Мікроорганізми не мають спеціальних органів живлення. Усією поверхнею клітини вони поглинають поживні речовини і виділяють продукти обміну. Можливість проникнення речовин з зовні до клітини зумовлена багатьма чинниками: розміром і структурною будовою їх молекул, здатністю до розчинення у компонентах цитоплазматичної мембрани, можливістю вступати з ними в хімічні сполуки, концентрацією речовин у клітині і зовні, електричним зарядом клітини тощо.

Явища дифузії й осмосу відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів. З дифузією пов’язаний процес переносу поживних речовин та продуктів обміну у живих організмах. Дифузія відбувається і тоді, коли на межі між розчином і розчинником (або на межі двох розчинів різної концентрації) помістити напівпроникну перегородку – мембрану. Через напівпроникні мембрани відбувається одностороння дифузія молекул розчинника в бік більш концентрованого розчину. Таку односторонню дифузію розчинника через напівпроникну мембрану у більш концентрований розчин називають осмосом.

Осмотичний тиск розчинів залежить від молярної концентрації розчинених у ньому речовин. У відносно розведених розчинах осмотичний тиск змінюється пропорційно концентрації розчинених речовин.

Нерозчинні у воді речовини (жири) або колоїдні розчини (розчини білків, крохмалю) не можуть безпосередньо проникати у клітину, а надходять до неї лише тільки після руйнування екзоферментами мікроорганізмів до більш простих і розчинених сполук.

Таким чином, при осмотичному проникненні поживних речовин у клітину рушійною силою є різний осмотичний тиск на межі між розчином і клітиною. Такий пасивний перенос речовин не потребує витрат енергії і триває до стану рівноваги. Механізм проникнення речовин у клітину мікроорганізмів не може бути повністю пояснено явищами осмосу. Встановлено, що оболонка живих клітин і цитоплазматична мембрана мають здатність вибірково поглинати необхідні речовини і не зачіпати інших. Цим пояснюється здатність мікроорганізмів витягати необхідні їм речовини навіть із розчинів з малою концентрацією і не пропускати шкідливі, що містяться в середовищі, не зважаючи на їх підвищену концентрацію.

Внутрішньоклітинний осмотичний тиск, як правило, вище, ніж у поживному середовищі. Внутрішньоклітинний тиск створюється речовинами, які надійшли у клітину, а також продуктами обміну, що не виділилися з клітин, та частково речовинами клітинного синтезу. Тому одночасно з поживними речовинами у клітини надходить і необхідна клітинам вода.

Вода зумовлює гідростатичний стан напруги мікробної клітини – тургор, який є нормальним для мікробної клітини й зумовлює її активність.

Високим осмотичним тиском у клітинах мікроорганізмів пояснюється їх здатність існувати на відносно сухих речовинах. Так, плісняві гриби можуть вражати товари й матеріали, що мають вологість 15% і нижче.

Якщо мікроорганізм потрапляє у субстрат, осмотичний тиск якого набагато вищий за внутрішньоклітинний, то цитоплазма втрачає воду у зовнішнє середовище. Поживні речовини не потрапляють у клітину, вона зменшується в об’ємі і протопласт відходить від клітинної оболонки. Такий стан має назву плазмоліз. Плазмоліз мікроорганізмів спостерігається в концентрованих розчинах цукру, солі та інших речовин. Тривалий стан плазмолізу призупиняє розвиток мікроорганізмів і навіть викликає їх руйнування. Цим користуються у практиці консервування.

Якщо мікробну клітину помістити в чисту воду з дуже дрібною концентрацією розчинених речовин, то вона спочатку набухне, стане кулястою, а потім руйнується через проникнення води крізь її оболонку. Такий стан має назву плазмоптис. Стан плазмоптиса мікроорганізмів спостерігається у дистильованій воді.

Вимоги більшості мікроорганізмів до поживних речовин дуже різноманітні. Однак, з огляду на деякі загальні особливості живлення, їх поділяють на автотрофи (що живляться за типом рослин) і гетеротрофи.

Автотрофи (від грец. antos – сам, tzoрhe - їжа) – мікроорганізми, які здатні засвоювати вуглець із вуглекислоти та її мінеральних сполук. Синтез органічних речовин із мінеральних сполук потребує витрат енергії. Деякі автотрофи використовують сонячну енергію – це фотосинтезуючі мікроорганізми. До них належать водорості, пігментоутворюючі бактерії – зелені і пурпурні сіркобактерії. Інші автотрофи використовують енергію хімічних реакцій - це хемосинтезуючі мікроорганізми. До них належать нітрифікуючі бактерії, залізобактерії, сіркобактерії та інші.

Гетеротрофи (від грец. heteros - інший ) – мікроорганізми, які здатні засвоювати вуглець лише з органічних сполук. До них належать більшість бактерій, пліснявих грибів, дріжджі та ін. Гетеротрофи мають потребу в органічних сполуках, які є одночасно джерелом вуглецю й енергії. До цієї групи відносяться чисельні мікроорганізми, що використовують органічні речовини неживої природи - сапрофіти, зокрема гнильні бактерії й збудники бродінь. До цієї групи належать і паратрофи (або паразити), які здатні існувати тільки в тілі інших організмів, живлячись органічними речовинами, що входять у склад цих організмів. До них належать збудники захворювань людини, тварин або рослин.

Однак суттєвої різниці між ними не існує. Деякі види хвороботворних мікроорганізмів здатні існувати у зовнішньому середовищі як сапрофіти і, навпаки, деякі сапрофіти за певних умов можуть викликати захворювання людини, тварин чи рослин.

Багато сапрофітів здатні використовувати як живильні речовини спирти, вуглеводи, органічні кислоти, білки, навіть здатні засвоювати парафін і циклічні вуглеводні. Під їх впливом руйнуються нафта і газ, тобто “всеядні”.

Для нормального розвитку мікроорганізмів необхідні також і азот, мінеральні речовини й вітаміни.

Джерелом азоту для мікроорганізмів є азотовмісні сполуки органічних речовин, мінеральні азотисті сполуки і навіть азот атмосфери. Найбільш вибагливі до вмісту азоту паратрофні мікроорганізми. Вони потребують органічні азотовмісні сполуки того організму, де вони паразитують. Відомі сапрофіти, для існування яких необхідні складні органічні форми азоту (пептони, пептиди) або амінокислоти, що входять до складу білків їх клітин.

Інші сапрофіти задовольняються вмістом у субстраті однієї - двох амінокислот, решту ж синтезують самі. Деякі сапрофіти (бактерії, дріжджі, плісняві гриби) використовують азот з мінеральних сполук – нітратів, навіть ціаністих з’єднань. Є бактерії та гриби, які здатні використовувати вільний азот атмосфери. Ці мікроорганізми називаються азотофіксуючими.

Амінокислоти, що надходять із зовнішнього середовища, або синтезовані мікроорганізмами, необхідні для синтезу білків мікробної клітини. Синтез здійснюється за участю РНК і ДНК.

У складі кожної мікробної клітини є вітаміни. Вони необхідні для нормального розвитку мікроорганізмів.

Деякі мікроорганізми потребують вітаміни в готовому стані. Так, для багатьох бактерій необхідна наявність у субстраті нікотинової кислоти (вітаміну РР), тіаміну (вітаміну В₁), рибофлавіну (вітаміну В₂), біотину, пантотенової кислоти тощо. За відсутністю того чи іншого вітаміну порушується обмін речовин у мікроорганізмах.

Інші мікроорганізми розвиваються і за відсутністю вітамінів у субстраті. Вони здатні самі синтезувати необхідні вітаміни з поживних речовин середовища, накопичувати їх і виділяти зовні. Цю здатність мікроорганізмів використовують у мікробіологічних процесах одержання вітамінів на промисловому рівні. Мікробіологічним шляхом одержують вітаміни групи В, пантотенову, нікотинову кислоти, β-каротин тощо.