24. Разделение бактерий на группы в зависимости от температурных и pH оптимумов роста, от наличия кислорода в среде.

Кроме состава питательной среды, рост бактерий сильно зависит от условий окружающей среды, поэтому эти условия нужно строго контролировать. Микроорганизмы лучше растут при определенных температурах и рН, и они чувствительны к ряду факторов, таких как концентрация кислорода и интенсивность света. Оптимальными являются условия, при которых обеспечивается самое короткое время генерации. Каждый вид микроорганизмов приспосабливается к определенным условиям окружающей среды. 

Температура и рост бактерий температурные условия в биосфере достаточно разнообразны. При определении влияния температуры на прокариотные организмы следует различать два момента:

-способность организмов к выживанию после длительного нахождения в экстремальных температурных условиях;

-способность организмов к росту в этих условиях. Приспособления, сформированные у прокариот для перенесения неблагоприятных условий, в том числе и температурных, – это споры (11 минут при 1000С), цисты (15 минут при 60°). При изучении влияния температуры на рост прокариотных организмов выделяют температурный диапазон, ограниченный минимальной и максимальной температурами, при которых рост прекращается, а также область оптимальных температур с максимальной скоростью роста. Положение на температурной шкале основных точек (минимальная, максимальная, оптимальная температуры), а также величина температурного диапазона роста прокариот сильно различаются. На основании этих показателей прокариоты делят на три основные группы:

-мезофилы;

-психрофилы (криофилы);

-термофилы.

Последние, в свою очередь, подразделяются на отдельные подгруппы (рис. 14).

Большинство известных видов относится к мезофилам, у которых оптимальные температуры роста лежат между 30° и 40°С.

Мезофилы. Температурный диапазон, в котором возможен рост, находится между 10 и 45-50оС.Типичным мезофиллом является Е. сoli: нижняя граница роста + 10оС, верхняя +49оС, оптимальная температура +37оС при росте на богатой среде.

Психрофилы и факторы, определяющие возможность роста при низких температурах. Область температур роста психрофилов лежит в пределах от –10до +20оС и выше. В свою очередь, психрофилы делятся на облигатные и факультативные.

Увеличение содержания в липидах ненасыщенных жирных кислот позволяет мембранам находиться в функционально активном жидкостно-кристаллическомсостоянии при низких температурах. Обязательное условие возможности роста психрофилов при минусовых температурах – нахождение воды в жидком состоянии.

Термофилы и механизмы термофилии. Группу термофилов делят на 4 подгруппы:

1.Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 55–60оС,оптимальная область лежит при35–40оС.Основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах, хотя оптимальные температуры роста для обеих групп находятся на одном уровне.

2.Факультативные (необязательные) термофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 65оС, но способны также к размножению при комнатной температуре (20оС); оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста. Особенность этой группы прокариот – способность к росту в области от 20 до 40оС.

3.К облигатным (обязательные) термофилам относят виды, обнаруживающие способность, расти при температурах около 70оС и не растущие ниже 40оС. Оптимальная температурная область облигатных термофилов примыкает к их верхней температурной границе роста. Представители этой подгруппы: эубактерииBacillus acidocaldarius, Synechococcus lividus, архебактерии Methaпobacterium thermoautotrophicum, Thermoplasma acidophilum и др.

4.Наконец, недавно обнаружены прокариоты, выделенные в подгруппу экстремальных термофилов. Для них характерны следующие температурные параметры: оптимум в области 80–105оС,минимальная граница роста 60оС и выше, максимальная – до 110оС. К экстремальным термофилам относятся организмы из группы архебактерий, не имеющие аналогов среди мезофилов, например представители родовThermoproteus, Pyrococcus, Pyrodictium и др.

Известно, что насыщенные жирные кислоты, входящие в состав липидов мембран, имеют более высокую точку плавления по сравнению с ненасыщенными. Уже давно было замечено, что липиды термофилов имеют более высокие температуры плавления, чем липиды мезофилов, что достигается возрастанием содержания насыщенных жирных кислот в мембранах. Многие исследователи считают, что определяющая роль в термофилии принадлежит белкам, в первую очередь ферментным.

. 

Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени. При незначительном повышении температуры выше максимальной микроорганизмы могут испытывать «тепловой шок» и после недлительного пребывания в таком состоянии они могут реактивироваться.

Механизм губительного действия высоких температур связан с денатурацией клеточных белков. Молодые вегетативные клетки, богатые свободной водой, погибают при нагревании быстрее, чем старые, обезвоженные.

Термоустойчивость – способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.

Гибель микроорганизмов наступает при разных значениях температур и зависит от вида микроорганизма. Так, при нагревании во влажной среде в течение 15 мин при температуре 50–60 °С погибает большинство грибов и дрожжей; при 60–70 °С – вегетативные клетки большинства бактерий, споры грибов и дрожжей уничтожаются при 65–80° С. Наибольшей термоустойчивостью обладают вегетативные клетки термофилов (90–100 °С) и споры бактерий (120 °С).

Высокая термоустойчивость термофилов связана с тем, что, во первых, белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре, во вторых, в них содержится меньше влаги. Кроме того, скорость синтеза различных клеточных структур у термофилов выше скорости их разрушения.

Термоустойчивость спор бактерий связана с малым содержанием в них свободной влаги, многослойнойоболочкой, в состав которой входит кальциевая сольдипиколиновой кислоты.

На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также стерилизация и пастеризация. Пастеризация – процесс нагревания до 100˚С при котором происходит уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов. Стерилизация –полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Процесс стерилизации ведут при температуре выше 100 °С.

Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращаются, гибели клеток не происходит, т.к. микроорганизмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни) и остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.

Причинами гибели микроорганизмов при действии низких температур являются:

• нарушение обмена веществ;

• повышение осмотического давления среды вследствие вымораживания воды;

• в клетках могут образоваться кристаллики льда, разрушающие клеточную стенку.

Низкая температура используется при хранении продуктов в охлажденном состоянии (при температуре от 10 до –2 °С) или в замороженном виде (от –12 до –30 °С).

_______________________________________________________________________

• Отношение к кислотности среды

Давно известно, что кислотность среды (концентрация водородных ионов, рН) является важным фактором, определяющим возможность существования прокариот. Концентрация ионов водорода в окружающей среде действует на организм прямо (непосредственное воздействие Н+) или косвенно (через влияние на ионное состояние и доступность многих неорганических ионов и метаболитов, стабильность макромолекул, равновесие электрических зарядов на поверхности клетки).

При низких значениях рН растворимость углекислоты, являющейся основным или даже единственным источником углерода для автотрофных прокариот, понижается, а растворимость некоторых ионов (Сu 2+, Мо2+, Mg2+, Al3+) возрастает и достигает уровней, токсичных для многих прокариот. Наоборот, при высоких значениях рН растворимость многих катионов (Fе2+, Са2+, Mg2+, Мn2+), необходимых клетке, резко понижается, они выпадают в осадок и, таким образом, становятся недоступными для организмов.

Водородный показатель (рН) влияет на состояние веществ в окружающей среде. Органические кислоты в кислой среде находятся в недиссоциированной форме, в которой легко проникают в клетку, становясь токсичными для нее. Концентрация Н+ внешней среды влияет и на равновесие электрических зарядов на поверхности клетки: при низких значениях рН увеличивается суммарный положительный заряд, при высоких – суммарный отрицательный заряд.

В Мировом океане и на большей части суши концентрация водородных ионов поддерживается в довольно узком диапазоне, оптимальном для роста большинства прокариот, предпочитающих нейтральные или слабощелочные условия. Довольно часто встречаются умеренно кислые природные среды, имеющие рН около 3–4.Это многие озера, кислые болота, некоторые истощенные почвы. Среды с более низким рН чрезвычайно редки; рН 3 и ниже имеют обычно терриконы угольных шахт, дренажные воды, рудничные стоки.

К наиболее кислым из природных сред, вероятно, относятся горячие кислые источники и окружающие их горячие кислые почвы, рН которых может достигать 1. Из этих мест были выделены бактерии, являющиеся одновременно термофилами и ацидофилами. Это Sulfolbus acidocaldarius, факультативно автотрофная сероокисляющая архебактерия, растущая в области рН от 1 до 5,8 (оптимальная область рН – 2–3). Температурный оптимум выше 70оС. S. acidocaldarius – обитатель горячих кислых источников, расположенных в разных частях земного шара. Другие обитатели таких мест – Васillus acidocaldarius, Васillus coagulans.

Встречающиеся в природе щелочные условия обычно связаны с почвами. Таковы почвы, обогащенные щелочными минералами, экскрементами животных, разлагающимися белками. В таких почвах рН может достигать 10. Обнаружены также щелочные озера и источники, рН которых 8–11.Из таких мест выделены представители родов

Bacillus, Pseudoтoпas, Flavobacterium, Streptococcus и др. В зависимости от отношения к кислотности среды прокариоты могут быть разделены на несколько групп (рис. 15).

Нейтрофилы. Оптимальный рН для роста подавляющего большинства прокариот, называемых нейтрофилами, – область, близкая к нейтральной 7, а рост возможен, как правило, в диапазоне от 4 до 9, считающемся нормальным. Типичными нейтрофилами являются разные штаммы Escherichia coli, Bacillus megateriuт, Streptococcus faecalis.

Ацидофилы (кислотнолюбы). К кислотоустойчивым относятся многие бактерии, продуцирующие органические кислоты, например, уксуснокислые, молочнокислые и др. Оптимум рН для роста в кислой среде рН 4 и ниже.

Алкалофилы (щелеочнолюбивые). Щелочетолерантны многие из энтеробактерий и устойчивых к значениям рН, близким к 9-10. Щелочная зона рН от 9 и выше.

Эти все адаптации обеспечивают клеточная стенка и ЦПМ, но механизмы еще не выяснены. Влияние пШ: Некоторые микроорганизмы (например, молочнокислые, маслянокислые и др.) производят так много кислоты в процессе обмена веществ, что это приводит к остановке роста, а иногда и к гибели их.

Известны микроорганизмы, которые растут при экстремальных значениях pH. Например, представитель облигатных экстремальных ацидофилов Thiobacillus thiooxidans может развиваться при pH 0,9—4,5 (оптимум 2,5).

Грибы и дрожжи хорошо размножаются и при низком (pH 2—3), и довольно высоком значении pH (8—10). Многие грибы предпочитают кислую среду, и имеют тенденцию расти лучше при pH 5—6.

Значительная часть бактерий, несмотря на то, что не растет при pH ниже 4,5, может выносить такие низкие pH, как 1 или даже 0,1, не подвергаясь заметному отрицательному влиянию. Это так называемые кислотоустойчивые микроорганизмы. К ним принадлежат тионовые бактерии, окисляющие сероводород и серу, а также некоторые другие микроорганизмы.

Среди бактерий обнаружено несколько организмов, устойчивых к щелочной среде с pH 10 и выше. Сюда следует отнести Bacillus pasteurii, бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при pH, близком к 11. Выделены и другие бациллы, очень устойчивые к щелочной среде.

В процессе своей жизнедеятельности некоторые микроорганизмы могут не только подкислять среду, но и вырабатывать щелочные продукты. Например, при разложении мочевины и белков образуется аммиак, подщелачивающий среду.

Отрицательное влияние кислотности среды на большинство микроорганизмов используется в практике консервирования пищевых продуктов, при приготовлении маринадов, силоса, квашеной капусты и т. д.

Кислород в природе в связанном и свободном состоянии. В первом случае он входит в состав молекул воды, органических и неорганических соединений. Во втором – присутствует в современной атмосфере в виде молекулярного кислорода (02), объемная доля которого составляет 21 %. Кислород является обязательным химическим компонентом любой клетки. Подавляющее большинство организмов удовлетворяет свои потребности в этом элементе, используя обе формы кислорода. Источником приблизительно 10 % кислорода, входящего в состав клеточного материала, служил газообразный кислород,50-60% клеточного кислорода происходит из воды. Остальной кислород в клетку поставляли органические и неорганические компоненты питательной среды (глюкоза, фосфаты, нитраты, сульфаты и др.).

Среди прокариота существуют значительные различия в отношении к молекулярному кислороду. По этому признаку они могут быть разделены на несколько групп

Рис. 12. Группы прокариот в зависимости от отношения к молекулярному кислороду

Облигатные (обязательные) аэробы. Нитрификаторы, цианобактерии. Прокариоты, для которых 02 необходим. К ним относится большинство прокариотных организмов. Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы не способны к росту при концентрации 02, равной атмосферной, но могут расти, если содержание 02 в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2 %). Такие облигатно аэробные прокариоты получили название микроаэрофилов. Потребность прокариот в низкой концентрации 02 в окружающей среде связана с их метаболическими особенностями. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации 02 ниже 2 %, т. е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например аммонийного, – на воздухе. Это объясняется ингибирующим действием молекулярного кислорода на активность нитрогеназоферментного комплекса, ответственного за фиксацию N2.

В среде 100 %-й молекулярный кислород подавляет рост всех облигатных аэробов. Многие аэробные бактерии могут формировать колонии на поверхности твердой питательной среды в атмосфере, содержащей 40% О2, но рост

51

их прекращается, когда содержание О2 в атмосфере повышается до 50%.

Облигатные анаэробы. Прокариоты, для метаболизма которых О2 не нужен, т. е. энергетические и конструктивные процессы у них происходят без участия молекулярного кислорода. К ним относятся метанобразующие архебактерии, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии.

В ряду облигатно анаэробных прокариот, не включающих О2 в метаболические реакции, существует широкий спектр степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде (аэротолерантные). Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Для них 1 молекула О2 – яд. Clostridium. Такие организмы называют строгими анаэробами. К числу строгих анаэробов относятся представители родов Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methaпobacterium и др.

Хотя облигатно анаэробные бактерии в целом очень чувствительны к О2, они могут в природе находиться в аэробных зонах. Широкое распространение представителей рода Clostridium в местах с высоким парциальным давлением О2 объясняется наличием у них эндоспор, нечувствительных к молекулярному кислороду.

Факультативные анаэробы или факультативные аэробы (аэротолерантные– не погибающие при контакте с кислородом). Бактерии, не нуждающиеся в О2 (последний не участвует в осуществляемых ими метаболических реакциях), но способные расти в его присутствии, являются по типу осуществляемого ими метаболизма облигатными анаэробами, устойчивыми к О2 внешней среды. Примером таких организмов служат молочнокислые бактерии. Многие прокариоты, относящиеся к этой же группе, приспособились в зависимости от наличия или отсутствия О2 в среде

переключаться с одного метаболического пути на другой, например, с дыхания на брожение, и наоборот. Представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания. В анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания.

Кислород необходим для аэробного дыхания. В зависимости от потребностей в кислороде микроорганизмы можно разделить на следующие группы: 1. Облигатные аэробы. Микроорганизмы, которые могут расти только в присутствии кислорода, например, Mycobacterium tuberculosis — бактерия, вызывающая туберкулез, плесневые грибы, такие как Penicilli-um, водоросли и большинство простейших. Облигатными аэробами являются большинство бактерий и грибов. 2. Факультативные аэробы. Микроорганизмы, которые используют кислород, если он доступен, но в его отсутствие могут расти и анаэробно, например, Е. coli и многие другие бактерии, дрожжи, некоторые простейшие.

3. Облигатные анаэробы. Микроорганизмы, которые выживают только в анаэробных условиях, например, в кишечнике или рубце жвачных животных. К ним относятся Clostridium tetani, обитающий в почве и вызывающий столбняк, и Clostridium botulinum, обнаруживаемый иногда в богатых белком (например, мясных) консервах и являющийся возбудителем ботулизма — тяжелой формы пищевого отравления, часто приводящего к смертельному исходу. 4. Микроаэрофилы. Микроорганизмы, которые лучше всего растут при более низких, чем в воздухе, концентрациях кислорода. К ним относится, например, Lactobacillus, обнаруживаемый в молоке.