- •Курсовая работа
- •Реферат
- •Содержание
- •Введение
- •1 Основная часть
- •Биоповреждения материалов и изделий и их вид
- •1.1.1 Виды бактериальных биоповреждений и их характеристика
- •1.1.2 Факторы, влияющие на биоповреждения объектов
- •1.1.3 Механизмы бактериальных биоповреждений
- •Характеристика микроорганизмов-декструкторов
- •1.2.1 Хемолитотрофные микроорганизмы (тионовые, нитрифицирующие, железобактерии)
- •1.2.2 Гетеротрофные бактерии (протеолитические, липолитические, гликолитические)
- •1.2.3 Метаногенные бактерии и их характеристика
- •1.3 Методы обнаружения бактерий и идентификации микроорганизмов
- •1.3.1 Методы обнаружения бактерий и определения их численности
- •1.3.2 Методы-выделения микроорганизмов-деструкторов
- •1.3.3 Методы определения активности микроорганизмов и продуктов их метаболизма
- •1.4 Способы защиты материалов и изделий от биоповреждений м/о
- •1.4.1 Использование защитных покрытий
- •1.4.2 Полимерные материалы с антимикробными свойствами
- •1.5 Методы оценки биостойкости материалов и защитных покрытий
- •1.5.1 Почвенный метод
- •1.5.2 Метод агаровых сеток
- •1.5.3 Метод агаровых блоков
- •1.5.4 Методы оценки адаптации бактерий к антимикробным веществам
- •2 Экспериментальная часть
- •2.1 Материалы и оборудование
- •2.2 Микроорганизмы и питательные среды
- •2.2.1Питательные среды для культивирования грибов
- •2.2.2 Выделение чистых культур бактерий
- •2.3 Методы анализа
- •2.3.1 Определение общего количества бактерий методом культивирования
- •2.3.2 Построение калибровочных зависимостей микроорганизмов по спектру мутности
- •2.3.3 Анализ физиологической активности бактерий редуктазным методом
- •2.3.4 Метод определения эффективных концентраций биоцидов
- •2.3.5 Оценка защитного действия биоцидных веществ методом «агаровой сетки» и «агаровых блоков»
- •2.3.6 Оценка защитного действия биоцидных веществ микрокалориметричеким методом
- •2.4 Результаты исследований и их обсуждение
- •2.4.1 Оценки биостойкости материалов по гост 9.048
- •2.4.2 Анализ биостойкости материалов по методу «агаровой сетки» и агаровых блоков
- •2.4.3 Характеристика биостойкости материалов микрокалориметрическим методом
- •Заключение
- •Используемая литература
1.1.3 Механизмы бактериальных биоповреждений
В настоящее время механизм биоповреждения рассматривается, как правило, с позиции биохимических превращений материала, вызываемых биодеструктором и обеспечивающих возможность его ассимиляции этим биодеструктором в качестве источника питательных веществ. Количественные данные об этом процессе практически отсутствуют. Не исследованы начальные, предшествующие собственно повреждению, взаимодействия материала с присутствующими во внешней среде микроорганизмами. Невыясненным остается вопрос о причинах изменения свойств материалов под воздействием биодеструкторов, роль в этих изменениях продуцируемых микроорганизмами соединений (метаболитов) и других (не биологических) факторов внешней среды.
Проведенный анализ современного состояния работ по проблеме позволяет сделать вывод о перспективности применения в исследованиях реального процесса микробиологического повреждения материалов формально-кинетических представлений о его механизме. Такие представления предполагают рассмотрение изучаемого процесса как совокупность ряда этапов, протекание каждого из которых подчиняется отражающими его механизм кинетическому закону и аналитической модели.
Имеющиеся в литературе сведения позволяют предполагать, что процесс биоповреждения может быть представлен состоящим из трех основных этапов — взаимодействий материала с микроорганизмом: 1 – закрепления (адгезии), 2 – роста биодеструктора на материале и 3 – изменения свойств последнего [4].
Очень часто заселение материалов и изделий бактериями осуществляется по распространенной последовательности. Сначала поселяются наиболее специфичные для данного субстрата микроорганизмы, обладающие coответствующими ферментами и начинающие процесс разрушения. Затем их сменяет – группа микробов, использующих уже начинающий разрушаться субстрат, и наконец, наступает очередь организмов, живущих уже на полностью разрушенных материалах. Таким образом, материалы (особенно уже давно используемые человеком) представляют собой экологическую нишу обычно с постоянным составом и уже сложившейся сменяемостью поселяющихся на них микроорганизмов [5].
Характеристика микроорганизмов-декструкторов
1.2.1 Хемолитотрофные микроорганизмы (тионовые, нитрифицирующие, железобактерии)
Хемолитотрофные бактерии – это один из видов хемотрофных микроорганизмов, получающий энергию за счет окисления восстановленных неорганических соединений азота, серы, железа, а также молекулярного водорода. Хемолитотрофные бактерии обычно являются аэробными микроорганизмами, что объясняет их потребность в свободном молекулярном кислороде для процессов синтеза энергии.
В зависимости от химической природы окисляемых неорганических соединений данная группа микроорганизмов разделена на 4 подгруппы.
В первую подгруппу включены грамотрицательные бактерии, объединенные в семейство Nitrobacteraceae , источником энергии для которых являются процессы окисления аммонийного азота или нитритов. Во второй подгруппе объединены бактерии, способные окислять неорганические восстановленные соединения серы. У большинства из них доказана способность использовать этот процесс для получения клеточной энергии. Облигатно хемолитотрофные водородные бактерии, представленные одним родом Hydrogenobacter , выделены в третью подгруппу. В четвертую подгруппу отнесены бактерии, способные окислять и/или откладывать вне клетки окислы железа и марганца. Последние накапливаются в капсулах или во внеклеточном материале, редко – внутри клетки. Поскольку большинство бактерий этой подгруппы не получено до сих пор в чистой культуре, многие стороны их метаболизма остаются неясными.
1.2.1.1 Тионовые бактерии
Представители данной подгруппы представляют собой серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.). Обычно данное название применяется в отношении рода Thiobacillus. Также тионовые бактерии представлены родами Thiomicrospira, Thiodendron и др.Это мелкие, палочковидные, в большинстве подвижные грамотрицательные бактерии. Размножение тионовых бактерий происходит делением или почкованием. Для некоторых представителей рода Thiobacillus характерна развитая система внутрицитоплазматических мембран.
Тионовые бактерии – это строгие аэробы, за исключением Thiobacillus denitrificans, который может развиваться и в анаэробных условиях, используя в качестве акцептора электронов нитраты. Тионовые бактерии различаются устойчивостью к рН среды (от 0,6 до 10,0). Имеются галофильные штаммы. Оптимальная температуpa роста 28–30 °С. Среди тионовых бактерий есть облигатные хемолитоавтотрофы (Т. thioparus, Т. thiooxidans и др.) и факультативные хемолитоавтотрофы, которые могут расти автотрофно, гетеротрофно и миксотрофно (Т. intermedins, Т. perometabolis).
Для тионовых бактерий показана способность окислять с получением энергии помимо молекулярной серы многие ее минеральные восстановленные соединения: сульфиды, тиосульфаты, тритионаты, тетратионаты. Некоторые тионовые бактерии могут получать энергию за счет окисления тиоционатов, диметилсульфидов, а также сульфидов тяжелых металлов. Thiobacillus ferrooxidans получает энергию, окисляя также двухвалентное железо.
Полное ферментативное окисление тионовыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановленных соединений приводит к образованию сульфата. Окисление сероводорода до сульфата сопровождается потерей 8 электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит. Это показано в следующей схеме:
H2S→S-→SO3-→SO42-.
На этапе окисления сульфита до сульфата, протекающего с образованием аденилированного промежуточного соединения аденозинфосфосульфата (АФС), имеет место субстратное фосфолирование, позволяющее записать освобождающуюся при этом энергию в молекулах АТФ:
SO3- + АМФ → АФС + 2e-;
АФС + Фм → SO42- + АДФ.
Далее с помощью аденилаткиназы из АДФ синтезируется АТФ:
2 АДФ → АМФ + АТФ.
Основное же количество энергии тионовые бактерии получают в результате переноса образующихся при окислении восстановленной серы электронов. Дыхательная цепь тионовых бактерий содержит все типы переносчиков, характерных для аэробных хемогетеротрофов.
Тионовые бактерии широко распространены в водоёмах, почве, рудных месторождениях. Участвуют в круговороте серы и мн. др. элементов. С их жизнедеятельностью связано бактериальное выщелачивание металлов из руд, концентратов и горных пород, аэробная коррозия металлов, разрушение бетонных сооружений и т. д.
1.2.1.2 Нитрифицирующие бактерии
Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиака,азотистой кислоты). Все нитрифицирующие бактерии выделены в семейство Nitrobacteraceae и разделены на две группы в зависимости от того, какую фазу процесса они осуществляют. Первую фаза – окисление солей аммония до солей азотистой кислоты (нитритов). Данную фазу осуществляют аммонийокисляющие бактерии (роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus и др.):
NH4+ +1,5 О2→ NO2- + H2O + 2H+.
Вторая фаза представляет собой окисление нитритов до нитратов. Ее осуществление происходит под воздействием нитритокисляющих бактерий, относящихся к родам Nitrobacter , Nitrococcus и др. Она протекает по следующему уравнению реакции:
NO2- + 1/2 O2→ NO3-.
Группа нитрифицирующих бактерий представлена грамотрицательными организмами, различающимися формой и размером клеток, способами размножения, типом жгутикования подвижных форм, особенностями клеточной структуры, молярным содержанием гетероциклических оснований ДНК, способами существования.
Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы; некоторые виды – микроаэрофилы. Большинство – облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофов. 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.
1.2.1.3 Железобактерии
Железобактерии – это бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трёхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов. Окисление протекает следующим образом:
2Fe(HCO₃)₂ +6H₂O +O₂ →Fe(OH)₃ +4H₂CO₃ +4 CO₂
При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактерии окисляют большое количество закисного железа.
На основании морфологических характеристик все железобактерии могут быть разделены на две группы: нитчатые и одноклеточные.
К железобактериям первой группы относятся некоторые нитчатые бактерии, окруженные чехлом, из рода Leptothrix и Sphaerotilus, имеющие неподвижные или передвигающиеся скольжением нити. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix ) или только железа (Sphaerotilus). Железобактерии этой группы – облигатные аэробы, но могут удовлетворительно расти при низком содержании кислорода в среде. Оптимальный pH для роста – 6–8. Единственно возможный способ существования – хемооганогетеротрофия, при этом представители рода Sphaerotilus предпочитают условия с более высоким содержанием органических веществ, а многие штаммы Leptothrix – среды с низким уровнем органики.
К нитчатым железобактериям относятся также некоторые фотосинтезирующие эубактерии из группы цианобактерий и скользящих зеленых бактерий.
Вторая группа железобактерий включает одноклеточные организмы из разных таксонов. Она представлена эубактериями с грамположительным и грамотрицательным строением клеточной стенки или без нее, размножающимися поперечным делением или почкованием. Представители данной группы состоят из клеток разной формы и размеров, являющихся одиночными или формирующими скопления, окруженные капсулами, в которых откладываются окислы железа и марганца. Принадлежащие к этой группе железобактерии распадаются на две подгруппы, различающиеся типом метаболизма и отношением к кислотности среды.
Первая подгруппа объединяет железобактерии, растущие в нейтральной или слабощелочной среде и характеризующиеся хемоорганогетеротрофным типом метаболизма. Представители подгруппы – свободноживущие микоплазмы, объединенные в роды Metallogenium, Gallionella, Siderococcus. Им свойствен типичный для микоплазм полиморфизм: кокковидные клетки, от которых могут отходить тонкие нити, пучки переплетенных тонких нитей и т.д. На поверхности нитей откладываются окислы железа (Gallionella, Siderococcus) или железа и марганца (Metallogenium). Бактерии растут в нейтральной или кислой среде. Некоторые из них олиготрофы. Все – аэробы или микроаэрофилы. Отложение окислов железа и марганца – результат химических реакций или функционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.
Вторую подгруппу составляют в большинстве аэробные ацидофильные формы. Оптимальный pH их роста лежит ниже 4,5 (2 – 3). В этих условиях Fe2+ в присутствии O2 устойчив к химическому окислению. Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа.
Железобактерии обитают в воде пресных и солёных водоёмов, играют большую роль в круговороте железа в природе. На дне водоёмов образуют тёмно-коричневые дискообразной формы конкреции, состоящие из железа и марганца [6].