11.1. Способы существования прокариотов 

11.2. Питание микроорганизмов

11.2.1. Круговорот углерода и кислорода

11.2.2. Круговорот углерода и кислорода

11.2.3. Потребность в макро- и микроэлементах

11.3. Способы размножения микроорганизмов

11.4. Культивирование микроорганизмов (слайд 11.3)

11.4.1. Рост бактерий в периодической культуре

11.4.2. Рост бактерий в непрерывной культуре

Способы существования прокариотов

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по своим пищевым потребностям. Они могут существовать за счет усвоения самых различных субстратов. По отношению к источникам углерода их делят на две группы – автотрофы и гетеротрофы (слайд 11.4).

Автотрофы превращают CO₂ в органические соединения за счет внешних источников энергии. Поэтому разнообразие автотрофных организмов определяется в основном потребляемыми ими источниками энергии. Обычно автотрофы делят на две группы: хемолитоавтотрофы для ассимиляции углерода СО₂ используют энергию окисления минеральных веществ, фотоавтотрофы для этой цели используют солнечную энергию

(слайд 11.5).

Гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях, которые используются ими и как источник энергии, и как источник углерода. 

Питание микроорганизмов

Для роста микроорганизмов необходима вода и растворенные в ней питательные вещества.

Вода. Около 80-90 % массы микробных клеток составляет вода. Вода должна находиться в жидкой фазе, так как только в такой форме она доступна микроорганизмам. В отсутствие воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.

Потребность в химических элементах. Микробной клетке необходимы макро- и микроэлементы. К первым относятся десять элементов, содержащихся во всех организмах: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний и железо (С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe). Микроэлементы – это марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, никель,

ванадий, бор, хлор, натрий, селен, кремний, вольфрам и другие. В них нуждаются не все организмы (слайд 11.6). 

Большинство элементов вносят в питательную среду в виде солей. 

11.2.1. Круговорот углерода и кислорода

Источники углерода. Среди всех элементов наибольшее значение имеет углерод, содержание которого составляет 50 % сухой массы клетки. Микроорганизмы способны утилизировать практически все известные в природе органические соединения. 

Высокой питательной ценностью характеризуются различные сахара, глицерин, маннит, органические кислоты. Плохо усваиваются микроорганизмами более окисленные соединения. Какое бы углеродное соединение ни использовалось микробной клеткой, оно сначала расщепляется до низкомолекулярных веществ, которые затем вовлекаются в биосинтетические процессы. Во время процесса расщепления из химических соединений извлекается энергия, которая в форме АТФ может использоваться микроорганизмами.

Многие виды бактерий обладают способностью при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой. Их называют миксотрофами (слайд 11.7). 

Воздух содержит приблизительно 0,03% СO₂, эта концентрация поддерживается относительно постоянной в результате динамического равновесия между фотосинтезом и минерализацией. Постоянство СО₂ в воздухе поддерживается как физико-химическими, так и биологическими процессами. 

Круговорот углерода. Циклические превращения углерода и кислорода осуществляются главным образом в результате двух процессов – кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и дыхания и горения – с другой (слайд 11.8). 

Путем кислородного фотосинтеза окисленная форма углерода (СO₂) переходит в восстановленное состояние, в котором он находится в органических соединениях, а восстановленная форма кислорода (Н₂О) окисляется до молекулярного кислорода (O₂). На суше основными организмами, проявляющими фотосинтетическую активность, являются растения. В океанах одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют наиболее важную роль в фотосинтезе. Микроскопические водоросли океана (фитопланктон) способны развиваться в поверхностных слоях воды повсюду, где для них создаются благоприятные условия. Согласно одному из расчетов, общая ежегодная фиксация углерода в океанах достигает приблизительно 1,2×10¹⁰ т, тогда как фиксация на суше составляет около 1,6×10¹⁰ т. 

Гетеротрофный метаболизм завершает этот цикл путем расщепления органических веществ и образования субстратов для фотосинтеза: СO₂ и Н₂O.

Водоросли, животные и растения вносят свой вклад в этот процесс за счет дыхательной активности. Однако основную массу органического вещества окисляют бактерии и грибы. 

Таким образом, циклические превращения углерода и кислорода тесно связаны между собой посредством кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и аэробного дыхания – с другой.

11.2.2. Круговорот углерода и кислорода

Источники азота. Азот необходим микроорганизмам для синтеза нуклеиновых кислот, белков, полимеров клеточной стенки. В качестве источника азота микроорганизмы используют минеральные и органические соединения и в зависимости от этого делятся на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы (слайд 11.9).

Аминоавтотрофные организмы строят азотсодержащие компоненты либо из минеральных веществ, либо из аминных групп, оторванных от органических субстанций. 

Наиболее доступными являются ионы аммония NH₄⁺. (NH₄)₂SО₄, NH₄Сl, которые по мере потребления иона аммония подкисляют среду, что не способствует нормальному развитию клеток. 

Менее доступны нитраты, так как азот нитратов для того, чтобы включиться в органические соединения, должен быть предварительно восстановлен до уровня аммиака в энергетически зависимой реакции.

Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Они используются только специфическими группами микроорганизмов и в том случае, когда их концентрация в среде очень мала.

Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот N₂. Азотфиксирующие микроорганизмы имеют нитрогеназный комплекс, активирующий инертную молекулу атмосферного азота. 

Таким образом, степень усвояемости минеральных источников азота определяется тем, насколько легко они превращаются в аммиак.

Аминогетеротрофные микроорганизмы строят белки из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Белки предварительно гидролизуют с помощью протеолитических ферментов, выделяемых в среду. Потребностью в готовых аминокислотах обладают главным образом патогенные микробы, а также молочнокислые бактерии.

Если в питательной среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизм переходит на аминоавтотрофный способ существования и создает недостающую аминокислоту.

Если источником азота служат белки, пептоны или аминокислоты, то источники углерода не нужны, так как эти субстраты используются одновременно и как источники углерода. Но при использовании минеральных источников азота присутствие углеродного сырья необходимо.

Круговорот азота включает 4 стадии: фиксацию азота, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию (слайд 11.10).

Процесс фиксации азота – это в основном биологический процесс. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью бактерий. Фиксация азота осуществляется свободноживущими и симбиотическими бактериями. Симбиотические – бактерии рода Rhizobium. Свободноживущие – цианобактерии (Anabaena и Nostoc), Azotobacter,

Beijerinckia, Bacillus polymyxa, Clostridium и другие.

В процессе аммонификации происходит гидролиз белков и нуклеиновых кислот с освобождением аминокислот и органических азотистых оснований, которые затем также расщепляются в результате дыхания и брожения. Аммонификация осуществляется как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Разрушение белка в анаэробных условиях с образованием аминов характерно для бактерий рода Clostridium. В присутствии воздуха амины окисляются; другими бактериями с выделением аммиака.

Микроорганизмы, способные к аммонификации, относятся к группе гетеротрофов. Эта группа представлена грамположительными споровыми палочками (В. subtilis, В. Megatherium, Clostridium) и бесспоровыми формами

(Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Proteus и др.) 

Нитрификация – превращение аммиака в нитрат – осуществляется в природе бактериями семейства Nitrobacteraceae. Они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата – аммиака.

Нитрификация происходит в два этапа: на первом аммиак окисляется до нитрита, на втором нитрит окисляется до нитрата. 

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. 

Денитрификация – процесс восстановления нитратов. Происходит в анаэробных условиях, нитрат используется в качестве конечного акцептора электронов, осуществляется процесс нитратного дыхания. Некоторые бактерии (Escherichia coil) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (Pseudomonas denitrificans) – до газообразного азота. 

Этот процесс широко распространен среди бактерий и обнаружен у представителей более 70 родов. В наибольшей степени – у бактерий из родов Bacillus и Pseudomonas.

Все денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O₂, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям – вторичного происхождения.

11.2.3. Потребность в макро- и микроэлементах

Наряду с углеродом и азотом микроорганизмам для синтеза клеточного вещества нужны различные элементы, которые входят в состав органических соединений. Их присутствие даже в ничтожно малых количествах влияет на свойства микроорганизмов и качество образуемых метаболитов (слайд

11.11).

Сера необходима для синтеза серосодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Сера стимулирует протеолитические ферменты. Она обычно потребляется микроорганизмами в виде сульфатов. Некоторые микроорганизмы используют восстановленные соединения серы, в энергетических целях. 

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Фосфор получают из фосфорнокислых солей, калия или натрия, источником фосфатов также могут служить нуклеиновые кислоты.

Кальций входит в состав эндоспор, изменяет проницаемость протоплазмы. 

Магний присутствует в клеточных стенках, мембранах.

Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах и играет важную роль в регуляции степени агрегации рибосомальных частиц.

Молибден активирует целую группу ферментов, ответственных за процессы брожения, фиксации азота, нитрификации.

Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать все необходимые для роста вещества, они называются прототрофами. Микроорганизмы, лишенные способности синтезировать некоторые органические соединения (аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины), называются ауксотрофами (слайд

11.12). 

11.3. Способы размножения микроорганизмов

Для большинства прокариот характерно бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток (слайд 11.13). 

У большинства грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление (слайд 11.14). Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно обнаружить морфологические и физиологические различия. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4