АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Способы питание микроорганизмов

Способы питания. Микроорганизмы, как и все другие живые существа, нуждаются в пище. Последняя поступает в их клетки из внешней среды. Пищей обычно называются вещества, которые, попав в живой организм, служат либо источником энергии для процессов жизнедеятельности, либо материалом для построения составных частей клетки.

Свою потребность в питательных веществах микроорганизмы могут удовлетворять или непосредственно усваивая их, или предварительно изменяя и делая их доступными для использования. Известны два способа питания живых существ — голозойный и голофитный.

При голозойном способе питания живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи, которая затем переваривается в пищеварительном тракте. Этот способ питания характерен для животных (от высших до простейших).

При голофитном способе питания живые существа, не имеющие специальных органов для заглатывания и пищеварения, используют питательные вещества, всасывая их в виде относительно небольших молекул из водного раствора. Этот способ питания свойствен растениям и микроорганизмам.

Большинство органических соединений представляет собой полимеры (например, полисахариды и белки), они не могут быть поглощены и использованы непосредственно в обмене веществ; клетки. Такие вещества вначале должны быть расщеплены на простые соединения, для которых клеточная мембрана проницаема. Крупные молекулы расщепляются экзоферментами, которые экскретируются клетками микроорганизмов в среду. Это так называемое внешнее, или внеклеточное, переваривание, свойственное только микроорганизмам.

Поступление питательных веществ в клетку микроорганизма.

Поступление воды и растворенных в ней питательных веществ из окружающей среды внутрь микробной клетки, а также выход продуктов обмена происходит через клеточную стенку, капсулу и слизистые слои. Капсула и слизистые слои представляют собой достаточно рыхлые образования, и они, возможно, не оказывают значительного влияния на транспорт веществ, тогда как клеточная стенка может служить существенным барьером для поступления питательных соединений в клетку.

Активная роль в процессе поступления в клетку питательных веществ принадлежит также цитоплазматической мембране. Последняя должна быть проницаемой для питательных веществ и кислорода, поступающих в клетку, а также для отбросов, выходящих наружу, что обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки микроорганизма. Поступление воды и растворенных в ней веществ через цитоплазматическую мембрану — динамический процесс: живая микробная клетка никогда не находится в равновесии с веществами окружающей среды, проходящими через ее мембрану.

Выделяют четыре различных механизма, с помощью которых вещества из окружающей среды проходят через цитоплазматическую мембрану: пассивную диффузию, облегченную диффузию, активный транспорт и перенос групп.

При Пассивной диффузии транспорт вещества происходит через цитоплазматическую мембрану под действием разности концентраций (в случае неэлектролитов) или электрических потенциалов (в случае ионов) по обе стороны мембраны. Экспериментами показано, что, за исключением воды, только кислород и некоторые ионы проходят через цитоплазматическую мембрану путем пассивной диффузии. Скорость такого переноса веществ весьма незначительна.

Транспорт большинства растворенных веществ осуществляется через мембрану с помощью специальных механизмов переноса. Это молекулы-переносчики, циркулирующие между внешним и внутренним пограничными слоями цитоплазматической мембраны. Считают, что эти расположенные в мембране переносчики связывают молекулы растворенных веществ на ее внешней стороне и транспортируют их к внутренней, откуда они поступают в цитоплазму без изменения. Такие связанные с цитоплазматической мембраной переносчики, представляющие собой субстратспецифические связывающие белки, называются пермеазами. Известны два типа процессов транспорта растворенных веществ, осуществляемых переносчиками. Первый тип — облегченная диффузия. Движущей силой этого процесса является разница в концентрации какого-либо вещества по обе стороны мембраны. Молекула вещества соединяется с молекулой - переносчиком у наружной поверхности мембраны, и образовавшийся комплекс диффундирует через мембрану к ее внутренней стороне. Там он диссоциирует, и освобожденное вещество оказывается внутри клетки.

Затем переносчик диффундирует обратно к наружной поверхности и сразу может присоединить к себе другую молекулу вещества. Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если наружная концентрация вещества выше внутренней, и вещество, таким образом, перемещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость ее зависит от концентрации веществ в наружном растворе. Предполагают, что выход продуктов обмена веществ из микробной клетки происходит по типу облегченной диффузии при участии переносчиков.

Второй тип называется Активным транспортом. В этом случае растворенные вещества переносятся в клетки микроорганизмов «вверх» по химическому градиенту (или против градиента концентрации). Считают, что большинство веществ проникает в клетку микроорганизма в результате активного транспорта. Такой транспорт веществ нуждается в энергии (АТФ), получаемой в результате дыхания или брожения. Необходимость использования энергии для поддержания активного транспорта объясняется теми изменениями, которые претерпевает переносчик в своей работе, — когда обращен к внешней стороне мембраны, он обладает высоким сродством к субстрату, а когда обращен к ее внутренней поверхности — низким сродством к субстрату. Возможность транспортировать вещества против градиентов концентрации часто используется клетками бактерий для получения этих веществ из окружающей среды, где их концентрация очень мала, что обычно для природных условий. При отсутствии источников энергии накопления веществ внутри цитоплазмы не происходит.

Подсчитано, что перенос молекулы тиогалактозида через цитоплазматическую мембрану кишечной палочки (Escherichia coli) требует затраты одной молекулы АТФ. Предполагая, что активный перенос других соединений связан с подобным же расходом АТФ, можно считать, что растущий и размножающийся микроорганизм потребляет значительное количество энергии на транспорт веществ в клетку. В отдельных случаях на активный транспорт может затрачиваться почти вся энергия, вырабатываемая в микробной клетке.

Количество пермеазных белков в цитоплазматической мембране микроорганизмов может быть значительным. Так, на одну клетку кишечной палочки приходится около 8000 молекул пермеазы, служащей переносчиком лактозы.

У многих микроорганизмов сахара транспортируются в клетку путем переноса групп. Этот процесс отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри бактериальной клетки в химически модифицированной форме — чаще всего в виде фосфатного эфира. Движущая сила рассматриваемого процесса состоит в том, что внутри цитоплазматической мембраны сахар связывается в результате реакции с фосфорилированным ферментом и образующийся в итоге фосфатный эфир освобождается и поступает в цитоплазму. Химическая природа транспортируемого вещества при переносе не изменяется.

Таким образом, пищевые потребности микроорганизмов зависят не только от внутреннего комплекса ферментов, необходимого для утилизации определенных соединений, но и от действия специфического транспортного механизма.

Пищевые потребности микроорганизмов. Основную часть микробной клетки составляет вода (80—90% общей массы клетки). В состав клеток микроорганизмов входят следующие элементы (в % от массы сухого вещества): углерод — 50, кислород — 20, азот—14, водород — 8, фосфор — 3, сера — 1, калий—1, натрий—1, кальций — 0,5, магний — 0,5, хлор — 0,5, железо — 0,2, другие элементы — 0,3. Как видно, некоторые элементы — углерод, кислород и азот — находятся в клетках в больших количествах. Значительно беднее представлены сера и фосфор. Еще меньше содержится калия, натрия, кальция, магния, железа и хлора. В виде следов в состав клетки входят микроэлементы (цинк, медь, кобальт, стронций, марганец и др.).

Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которых формируются клеточная стенка, мембраны, нуклеоид, цитоплазма и другие компоненты, микроорганизмы должны получать в качестве источников питания углерод, азот, фосфор, серу, кислород, железо, кальций, магний, калий, натрий, хлориды и другие элементы в виде более или менее сложных соединений. Микроорганизмы нуждаются также в микроэлементах — марганце, цинке, меди, боре, молибдене, йоде и стронции.

Помимо питательных элементов, используемых для построения структурных частей клетки, микроорганизмы нуждаются также в постоянном источнике энергии, которая расходуется на биосинтез различных соединений, транспорт веществ и другие жизненные процессы в клетке.

Среди всех питательных элементов наибольшее значение имеет углерод, которого в сухом веществе клеток микроорганизмов содержится около 50%. Он входит в состав всех органических веществ, имеющихся в микробных клетках.

Потребности различных микроорганизмов в источниках углерода весьма разнообразны. Фотосинтезирующие организмы, использующие энергию солнечного света, и бактерии, получающие энергию при окислении неорганических веществ, потребляют наиболее окисленную форму углерода — СО2 как единственный или главный источник клеточного углерода. Превращение СО2 в органические соединения клетки представляет собой восстановительный процесс, который идет со значительным потреблением энергии. Поэтому значительную часть энергии, получаемой от солнечного света или от окисления восстановленных неорганических соединений, эти физиологические группы микроорганизмов расходуют на восстановление СО2 до уровня органического вещества.

Все другие организмы получают углерод главным образом из органических веществ, а необходимую им энергию — путем окисления органических соединений. Следовательно, органические вещества служат одновременно и источником углерода, и источником энергии.

Питательная ценность источников углерода зависит от строения их молекул. Для большинства микроорганизмов лучшие источники углерода — органические соединения, содержащие частично окисленные атомы углерода (СНОН, СН2ОН, СОН). Отсюда можно сделать вывод о высокой питательной ценности веществ, содержащих спиртовые группы. Значительно хуже ассимилируются вещества с большим количеством полностью восстановленных углеродов (радикалы СН3 и СН2). К числу соединений, содержащих метиловые и метиленовые радикалы, относятся газообразные углеводороды, парафин, высшие жирные кислоты и т. д. Почти совсем не усваиваются органические соединения, содержащие углерод только в форме карбоксила — СООН (например, щавелевая кислота).

Считают, что питательная ценность органических соединений связана с легкостью их перехода в углеводы или близкие к ним соединения, которые затем превращаются в вещества с тремя атомами углерода. Усвояемость органических соединений зависит не только от их растворимости и степени окисленности атомов углерода, но и пространственной конфигурации их молекул. Большинство активных компонентов клетки микроорганизма — соединения оптически деятельные, причем клетка обычно усваивает только определенные оптические изомеры, например сахара, относящиеся к D-ряду, аминокислоты — к L-ряду. Очень мало микроорганизмов обладают ферментами, превращающими один оптический изомер в другой.

Поглощенные микробной клеткой органические вещества вовлекаются в сопряженные окислительно - восстановительные процессы. Часть атомов углерода окисляется до СО— и СООН, из которых затем образуется С02, другая часть, восстановившись до —СН3, —СН2 и —СН, входит в состав таких соединений, как аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, высшие жирные кислоты и т. д.

Микроорганизмы значительно различаются способностью усваивать разные соединения углерода и синтезировать из них составные части клетки. Некоторые виды удивительно всеядны и могут использовать для питания разнообразные соединения. С другой стороны, известно множество различных специализированных типов микробов, которые нуждаются в специфических соединениях. Существуют микробы, использующие нефть, газообразные углеводороды, парафины. Даже резина, гудрон, капрон и многие другие синтетические материалы, а также пестициды и т. д. после попадания в почву начинают разлагаться микроорганизмами. Практически не существует органических соединений, которые не усваивались бы микроорганизмами.

Специфичность набора органических соединений, свойственная каждому виду микроорганизмов, используется для физиологической характеристики вида и для классификации микроорганизмов.

Ряд микроорганизмов, использующих углерод органических соединений, нуждаются также в СО2, как в питательном веществе, однако в очень небольших количествах, потому что это соединение потребляется в немногих биосинтетических реакциях. Так как СО2 нормально продуцируется в больших количествах организмами, использующими органические вещества, их биосинтетические потребности могут удовлетворяться в процессе метаболизма. Тем не менее, полное удаление СО2 из среды, в которой культивируют микроорганизмы, часто задерживает или прекращает их рост. Некоторые бактерии и грибы требуют для своего роста относительно высокие концентрации СО2 в атмосфере (от 5 до 10%).

Микроорганизмы нуждаются в источниках азотного питания, которые служат материалом для образования аминных — NH2 и иминных — NH-групп в молекулах аминокислот, пуринов и пиримидинов, нуклеиновых кислот и других веществ, входящих в состав клетки. Самый доступный источник азота для многих микроорганизмов — ионы аммония (NH4+) и аммиак (NH3), они достаточно быстро проникают в клетку микроорганизма и трансформируются в имино - и аминогруппы.

Аммонийные соли органических кислот более благоприятны для питания, чем минеральные аммонийные соли. Последние являются физиологически кислыми — при потреблении NH3 в среде накапливаются минеральные анионы (SO42-, НР042, Сl-), что влечет за собой сильное снижение pH.

Соли азотной кислоты в противоположность минеральным аммонийным солям не обладают физиологической кислотностью, и после использования NО3- микробами остаются ионы металлов (К+, Mg2+, Na+), что способствует подщелачиванию среды. Не все микроорганизмы могут восстанавливать окисленные соединения азота и питаться нитратами или нитритами. Большинство микробов ассимилируют минеральные формы азота.

Существуют микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот воздуха и строить из него необходимые компоненты клетки. Эти виды имеют большое значение в обогащении пахотного слоя связанными соединениями азота. В настоящее время известно большое число групп микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, цианобактерий) с азотфиксирующей способностью.

Наряду с минеральными источниками азота многие микроорганизмы могут потреблять азот органических соединений, которые одновременно служат и источником углерода.

Потребление органических источников азота связывается обычно с отщеплением от них NH3 и поглощением последнего микробной клеткой. Некоторые микроорганизмы могут ассимилировать аминокислоты, используя их как строительные блоки.

Усвояемость органических источников азота весьма различна. Белки, представляющие собой высокомолекулярные соединения, не проникают в клетку микробов. Поэтому белками могут питаться только микроорганизмы, выделяющие в среду экзоферменты, расщепляющие молекулы белков до пептидов и аминокислот. Этими свойствами обладают многие микроорганизмы.

Обычно микроорганизмам, питающимся только органическими соединениями азота — аминокислотами и т. п., требуется определенный набор этих веществ. Высокая чувствительность подобных организмов к наличию в среде некоторых аминокислот позволила разработать микробиологический метод их качественного и количественного определения.

Сера, как и азот, — необходимый компонент клеточного материала для всех организмов, в которых она встречается главным образом в восстановленной форме, в виде сульфидной группы. Зеленые растения ассимилируют соединения серы в окисленном состоянии в виде сульфатов и восстанавливают их для включения в биосинтез.

Большинство микроорганизмов может использовать сульфаты в качестве питательного вещества, но имеются бактерии, требующие для биосинтеза источники восстановленной серы. Для таких организмов источником серы могут служить неорганические сульфиды, тиосульфаты и содержащие серу органические соединения.

Наряду с углеродом, азотом и серой микроорганизмы используют значительные количества калия и фосфора и небольшие — натрия, магния, кальция, железа.

Фосфор входит в состав ряда важных органических соединений клетки (нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов и др ). Ряд органических соединений фосфора (АТФ, АДФ) используется в живых организмах в качестве аккумуляторов энергии, высвобождающейся в ходе окислительных процессов. Без фосфора микроорганизмы не развиваются. В противоположность азоту и сере фосфор встречается в составе органических веществ только в окисленном состоянии (в форме Н3Р04). Он никогда не вступает в прямое соединение с углеродом, соединяясь с ним только по типу эфирной связи через кислородный мостик —О—. Фосфор поступает в клетки микроорганизмов в виде молекулы фосфорной кислоты и в неизменной форме участвует в различных биохимических превращениях. Наилучший источник фосфора — различные соли ортофосфорной кислоты.

Калий необходим для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Он играет существенную роль в углеводном обмене и синтезе клеточного вещества.

Магний входит в состав бактериохлорофилла у зеленых и пурпурных бактерий, серобактерий и хлорофилла у цианобактерий, а также служит активатором ряда ферментов. Магний находится в клетке главным образом в ионном состоянии или в составе нестойких органических соединений.

Источниками калия и магния являются их соли.

Кальций необходим для роста некоторых бактерий (например, Azotobacter, Clostridium pasteurianum и др.). Источником кальция служат его водорастворимые соли.

Железо относится к числу незаменимых питательных элементов, хотя и требующихся микроорганизмам в небольших количествах. Железо входит в состав особой органической группировки (геминной) кофермента некоторых важных ферментов (геминный фермент, цитохромы), участвующих в дыхании микроорганизмов. Источником железа могут служить сернокислые и другие его соли.

Микроорганизмам необходимы и микроэлементы, которые хотя и потребляются в малых количествах, но имеют особое значение. Без микроэлементов невозможно осуществление важнейших жизненных функций, так как они входят в состав ферментов — сложных белковых образований, являющихся регуляторами и участниками обмена веществ у живых организмов. Например, медь входит в состав порфиринов, играющих роль переносчиков кислорода в процессах дыхания, а молибден в составе фермента нитрогеназы принимает участие в процессе фиксации азота из атмосферы.

Кроме основных питательных веществ, почти все группы микроорганизмов нуждаются в небольшом количестве соединений, получивших название факторов роста. К ним относятся витамины и витаминоподобные вещества, пурины и пиримидины, аминокислоты и ряд других соединений.

Типы питания. В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмов по типу питания разделяют на ряд групп в зависимости от источников энергии и источника углерода.

По использованию различных источников энергии микроорганизмы делятся на фототрофы, потребляющие солнечный свет, и хемотрофы, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.

В зависимости от того, в какой форме микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две группы: автотрофные микроорганизмы («сами себя питающие»), использующие в качестве единственного источника углерода углекислоту, из которой они могут синтезировать необходимые углеродсодержащие соединения, и гетеротрофные микроорганизмы («питающиеся за счет других»), получающие углерод в виде довольно сложных восстановленных органических соединений.

Следовательно, по способу получения энергии и углерода микроорганизмы могут быть разделены на фотоавтотрофов, фотогетеротрофов, хемоавтотрофов и хемогетеротрофов. Каждая из этих групп микроорганизмов, в свою очередь, подразделяется в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (—Н-донором), используемого в обмене веществ, на о р г а н о т р о ф ы, потребляющие как энергетический источник органические вещества, и литотрофы (от греч. литое — камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы.

Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания (табл. 2).

Каждый тип питания характерен для большего или меньшего числа микроорганизмов. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.

Фототрофия (источник энергии — солнечный свет).

1. Фотолитоавтотрофия — тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из СО2 и неорганических соединений (Н2О, H2S, S), то есть осуществляющих фотосинтез. К данной группе относятся цианобактерии, пурпурные серные бактерии и зеленые серные бактерии.

Цианобактерии, так же как зеленые растения, восстанавливают CO2 до органического вещества фотохимическим путем с помощью водорода воды, то есть осуществляют реакцию:

Пурпурные серные бактерии (сем. Chromatiaceae) содержат бак - териохлорофиллы а и b, обусловливающие способность их к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.

Пурпурные серные бактерии для восстановления СО2 в органическое вещество используют водород, входящий в состав H2S. При этом в их цитоплазме накапливается сера в виде гранул, которая затем окисляется до серной кислоты, то есть протекают следующие реакции:

Пурпурные серные бактерии в большинстве случаев являются облигатными анаэробами.

Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы c и d в небольшом количестве бактериохлорофилл а, а также различные каротиноиды. Как и пурпурные серные бактерии, они являются строгими анаэробами и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до S024.

2. Фотоорганогетеротрофия — тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии, помимо фотосинтеза, могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.

Пурпурные несерные бактерии (сем. Rhodospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды. Они не способны окислять сероводород (Н 2S), накапливать серу и выделять ее во внешнюю среду.

Хемотрофия (энергетический источник — неорганические и органические соединения).

1. Хемолитоавтотрофия — тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких как Н2, NH4+,NO2-, Fe2+, H 2S, S°, SO32-, S2О32-, СО и др. Этот процесс называется хемосинтезом. Углерод для синтеза всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из углекислоты.

Явление хемосинтеза у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) было открыто в 1887—1890 гг. известным русским микробиологом С. Н. Виноградским.

Хемолитоавтотрофия осуществляется нитрифицирующими бактериями (окисляющими аммиак или нитриты), серными бактериями (окисляющими сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактериями, окисляющими водород до воды, железобактериями, способными окислять соединения двухвалентного железа, и т. д.

Представление о количестве энергии (в джоулях), получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции:

NH3 + 11/2 О2 - HNО2 + Н2О 4+ 2,8*105

HNО2 +11/2О2 - HN03 + 0,7*105

H2S +1/2 - S +Н 2О + 1,7*105

S+11/2 О2- H2S04 +5,0*105

Н2 + Ѕ О2 - Н20 +2,3*105

2FеC03 + 1/2O2 + ЗН20 - 2Fe(OH)3 + 2С02 + 1,7-105

2. Хемоорганогетеротрофия — тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений. Сюда относятся многие аэробные и анаэробные микроорганизмы, обитающие в почвах и других субстратах.

Среди хемоорганогетеротрофов выделяют сапрофитов, живущих за счет мертвых органических материалов, и паразитов, растущих и развивающихся в тканях живых организмов. В последнем случае имеются в виду паратрофия и паратрофы, облигатные внутриклеточные паразиты, которые вне клетки хозяина не растут (риккетсии и др.).

Считают, что из известных типов питания наиболее широко распространены в живом мире два типа — фотолитоавтотрофия и хемоорганогетеротрофия. Первый тип питания характерен для высших растений, водорослей и ряда бактерий, второй — для животных, грибов и многих микроорганизмов. Остальные типы питания присущи некоторым группам бактерий, живущим в особых, специфических условиях среды.

Для многих микроорганизмов установлена способность переходить с одного типа питания на другой. Например, водородокисляющие бактерии в соответствующих условиях (при наличии О2, на средах с углеводами или органическими кислотами) способны переключаться с хемолитоавтотрофии на хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативными хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, которые не могут расти в отсутствии специфических неорганических доноров электронов (например, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называются облигатными хемолитоавтотрофами.

У микроорганизмов отмечена и так называемая миксотрофия. Это такой тип питания, когда микроорганизм — миксотроф — одновременно использует свои различные возможности, например, сразу окисляя органические и минеральные соединения, или источником углерода для него одновременно может служить углекислота и органическое вещество и т. д.

В природе широко распространены микроорганизмы, использующие для роста в качестве источников энергии и углерода одноуглеродные соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Эти микроорганизмы называют С1использующими формами, или метилотрофами, а тип питания — метилотрофией.

Метилотрофные бактерии подразделяют на облигатные и факультативные. Первые способны расти в результате использования только одноуглеродных соединений, а вторые растут на средах и с другими веществами. К метилотрофам относятся микроорганизмы разных систематических групп.

You are here