Материал: М_кроб_олог_я КЛ

Білки серед органічних речовин займають перше місце: в тілі патогенних мікробів їх кількість складає більше половини сухої ре­човини, у інших мікробів - досягає 80%. Вміст білків залежить від виду мікроба і складу поживного середовища. Такі речовини, як ан­тигени, токсини, ферменти, являють собою білки, що вказують на велике значення їх в житті мікробної клітини. Виділяють прості білки, або протеїни, та складні, або протеїди. Протеїди при гідролізі да­ють амінокислоти. У білках патогенних мікроорганізмів вміщуються дев'ять амінокислот: лізин, аргінін, гістидин, триптофан, тирозин, валін, фенілаланін та лейцин. До складу інших мікробів входить близько 15-20 амінокислот. Протеїди - комплекси простих білків (протеїнів) з небілковими групами. При сполученні протеїнів з нук­леїновою кислотою утворюються нуклеопротеїди, з полісахарида­ми - глікопротеїди, з жироподібними речовинами - ліпопротеїди. Нуклеопротеїди складають основну масу мікробного білка, беруть активну участь у розмноженні клітини, передачі спадкових ознак.

Велику роль у житті мікробної клітини відігріють нуклеїнові кисло­ти. Відомі нуклеїнові кислоти: рибонуклеїнова (РНК) та дезоксирибо­нуклеїнова (ДНК). ДНК звичайно знаходиться в ядрі клітини, РНК -в цитоплазмі. Виділяють три типи РНК:

• рибосомну;

• інформаційну;

• транспортну.

У вірусів визначена тільки одна нуклеїнова кислота: ДНК або РНК. З інших протеїдів слід визначити хромопротеїди, які беруть участь у процесі дихання, та ферменти, роль яких непомірно вели­ка як каталізаторів біологічних процесів.

Вуглеводи в мікробній клітині представлені полісахаридами. У цитоплазмі вуглеводи зустрічаються у вигляді зерен, крохмалю та глікогену. Вони служать головним чином енергетичним матеріалом, їх склад у мікробній клітині від 12 до 18%.

На вуглеводи багаті капсульні мікроби: збудник сибірської ви­разки, лейконосток та ін. У кожному з мікроорганізмів є означений полісахарид, що дає змогу їх диференціювати. Кількість ліпідів ко­ливається від 3,8 до 40% (дифтерійна бактерія містить 3,8%, тубер­кульозна - 40%). Ліпіди підтримують структуру цитоплазми, входять до складу цитоплазматичних мембран. У мікробній клітині ліпіди роз­поділені нерівномірно, їх більше міститься в поверхневих шарах та оболонці клітини. Ліпіди та ліпоїди підвищують стійкість мікробів до кислот та інших речовин.

Мінеральні речовини різноманітні як за складом, так і за кількістю. Вони являють собою золу після спалювання вегетатив­них форм мікробів і складають від 2 до 14% сухої речовини клітини. У більшій кількості зустрічаються фосфор, калій, натрій, сірка, кальцій, магній, залізо, хлор, а також мікроелементи (цинк, мідь, кобальт, барій, марганець та ін.). Мікроелементи визначаються в золі, в дуже малих кількостях вони входять до складу ферментів, вітамінів та інших компонентів мікробної клітини.

3. Обмін речовин у мікробів

Обмін речовин - загальна властивість живого організму. Він включає два процеси:

1. потрапляння з навколишнього середовища поживних речо­вин, необхідних для синтезу складових частин мікробної клітини;

2. виділення в навколишнє середовище продуктів життєдіяль­ності.

Обмін речовин (метаболізм) поділяють на два процеси: ана­болізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція), поділ дуже умовний, оскільки в живій клітині вони взаємопов'язані.

Потребу в поживних речовинах мікроби можуть задовольнити безпосередньо засвоюючи їх, або попередньо змінюючи таким чином, щоб вони (поживні речовини) ставали придатними до вживання.

Мікроорганізми можуть засвоювати вуглець з неорганічних та органічних сполук, у зв'язку з чим їх поділяють на дві великі групи: автотрофи і ґетеротрофи.

Автотрофи (хемолітотрофи, фотолітотрофи) засвоюють вуг­лець з діоксиду вуглецю (СО₂) повітря та утворюють органічну ре­човину за допомогою енергії, що звільнилася в процесі окислення деяких мінеральних сполук (хемосинтез), або енергії Сонця (фото­синтез). Явища хемосинтезу у хемолітотрофів вперше (1887 р.) вста­новлено російським мікробіологом С.Н. Виноградським при вивченні безколірних серобактерій, нітрифікуючи, та інших мікроорганізмів. Енергія, що утворюється в процесі окисних реакцій, може бути ви­користана бактеріями для засвоєння вуглецю та утворення органіч­них речовин.

Гетеротрофи (хемоорганотрофи) - мікроорганізми, які для засвоєння використовують вуглець з готових органічних сполук. Ця група найбільш поширена за своїм складом. Вона включає як сап­рофіти, так і паразити. Сапрофіти або метатрофи споживають мер­тву тканину тварин і рослин. Паразити або паратрофи використову­ють для харчування органічні речовини живих організмів та ведуть паразитичний спосіб життя. Це збудники інфекційних хвороб.

Механізм метаболізму у мікробів. Поживні речовини проника­ють усередину клітини через всю її поверхню. Мікробна клітина по­требує їх за добу у 20-30 разів більше своєї маси. Надходження поживних речовин - це непростий механічний рух, а складний фізи-ко-хімічний процес, в якому велику роль відіграють їх консистенція, склад, розчинність, розміри молекул, проникливість цитоплазматич­ної мембрани, ферменти, рН середовища, ізоелектрична точка ре­човини цитоплазми та ін.

Анаболізм (конструктивний обмін) і катаболізм (енергетичний обмін) звичайно відбуваються одночасно. Вони взаємопов'язані і є складовими єдиного процесу метаболізму.

Поживні речовини надходять у мікробну клітину різними спо­собами. Найбільш простий з них - пасивна дифузія, за допомогою якої переміщення речовин відбувається завдяки різниці їх концент­рацій по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Завдяки па­сивній дифузії через цитоплазматичну мембрану проходить вода і деякі речовини. Інтенсивність такої дифузії невелика. Вона здійснюється без втрати енергії.

4. Способи біологічного окислення, що використовують мікроорганізми

Мікроорганізми по-різному реагують на наявність кисню. Одні з них можуть існувати тільки при обов'язковій його наявності, тоді як для інших - кисень шкідливий. Деякі групи мікроорганізмів можуть змінювати свій тип дихання залежно від умов зовнішнього середо­вища.

Дихання мікроорганізмів являє собою біологічне окислення різних органічних сполук та деяких мінеральних речовин. Сьогодні окислення визначають як процес відокремлення водню (дегідруван­ня), а відновлення - приєднання його (реакції, пов'язані з перене­сенням протонів і електронів або тільки електронів).

Таким чином, біологічні перетворення в цитоплазмі мікробної клітини, що пов'язані з рухом протонів та електронів являють со­бою складний біохімічний процес за допомогою ферментів.

За типом дихання мікробів поділяють на аероби, анаероби та факультативні анаероби.

Аеробне дихання мікроорганізмів - це процес, при якому ос­таннім акцептором водню (протонів та електронів) є молекулярний кисень. У результаті окислення головним чином складних органіч­них сполук з'являється енергія, яка виділяється в навколишнє се­редовище або накопичується в макроенергетичних фосфатних зв'яз­ках АТФ. Поділяють повне та неповне окислення.

Повне окислення. Загальним джерелом у мікроорганізмів є вуглеводи. При їх розщепленні, що надходять різними шляхами, з'яв­ляється важливий проміжний продукт - піровиноградна кислота (піруват). Повне окислення піровиноградної кислоти викликає в циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса).

У результаті розщеплення в аеробних умовах процес окислен­ня іде до кінця - одержання діоксиду вуглецю і води з виділенням більшої кількості вільної енергії.

С_вН₁₂О_в + 60₂-» 6СО₂ + 6Н₂О (1)

ДО* = - 2872 кДж/моль, де ДС - символ вільної енергії.

Неповне окислення. Не всі аероби доводять реакції окислення до кінця. При надлишку вуглеводів у середовищі з'являються про­дукти неповного окислення, в яких накопичується залишкова енер­гія. Кінцевими продуктами неповного аеробного окислення глюкози можуть бути органічні кислоти: лимонна, яблучна, бурштинова та інші, які утворюються пліснявими грибами. Наприклад: аеробне ди­хання (окислення етилового спирту):

1) СН₃СН₂ОН + О₂->.СН₃СООН + Н₂О ДО = - 494 кДж/моль, (2)

2) СН₃СН₂ОН + 30₂-»2СО₂ + ЗН₂ОДЄ = -1366 кДж/моль. (3)

У деяких бактерій у процесі дихання відбувається окислення неорганічних речовин. Прикладом окислення неорганічних сполук служать процеси нітрифікації, що супроводжуються окисленням аміаку до азотистої, а потім до азотної кислоти. У кожному випадку ви­діляється енергія: у першій фазі 662 кДж/моль, у другій 202 кДж/моль.

Анаеробне дихання здійснюється без участі молекулярного кисню. Виділяють анаеробне дихання як нітратне та сульфатне бро­діння. У процесі анаеробного дихання акцептором водню є окис­лення неорганічних речовин, які легко віддають кисень та перетво­рюються у відновні форми. Так відбуваються денітрифікація і де-сульфуфікація (сульфатредукція).

Нітратне дихання - відновлення нітратів до молекулярного відбувається за схемою.

5С₆Н₁₂0₆ +24КМО₃ 24КНСО₃+ 18Н₂О + 12М₂ + 6СО₂ ДО = -1760кДж/моль. (4)

Сульфатне дихання - встановлення сульфатів до сірковод­ню, яке супроводжується виділенням такої ж кількості енергії:

С₉Н₁₂О₆ + ЗК₂ЗО₄ ЗК₂СО₃ + ЗСО₂ + 3Н₂О + ЗН₂5 Т ДО = -1760кДж/моль. (5)

Процес відновлення нітратів до молекулярного азоту індукуєть­ся молібдевмісним ферментом-нітроредуктазою. Якщо в середовищі з'являється кисень, функція редуктази приглушується. Тому віднов­лення нітратів відбувається тільки в анаеробних умовах.

Контрольні питання

1. У чому суть понять метаболізм, анаболізм, катаболізм?

2. Яку роль відіграють рибосоми, мітохондріі, апарат Гольджі та нуклеотиди у забезпеченні життєдіяльності мікробної клітини?

3. Які ви знаєте біологічно активні речовини, що знаходять­ся в мікробній клітині?

4. Назвіть 6 класів ферментів, дайте докладну характерис­тику кожного з них.

5. Як класифікують ферменти за хімічною будовою, харак­тером дП?

6. Чим відрізняються автотрофи від гетеротрофів?

7. Яка схема засвоєння мікроорганізмами вуглеводів, білків та ліпідів?

8. Охарактеризуйте аеробний та анаеробний типи дихання.

Тема 3. Мікробіологічні основи екології

НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

ПЛАН

1. Мікрофлора повітря.

2. Мікрофлора ґрунту.

3. Мікрофлора води.

1. Мікрофлора повітря

Про те, що в повітрі містяться мікроорганізми, люди знали дав­но. Довести їх існування в повітрі вперше вдалося Л. Пастеру.

Мікроби розповсюджені нерівномірно, їх більше в центрі міст і менше на околицях.

У повітря мікроби попадають з ґрунту. Чим інтенсивніше рух, тим більше в повітрі завислих частинок, разом з ними і мікробів. Чим далі від житла, тим мікробів стає менше. Там діють ще й фітон­циди, тому повітря в окремих місцях буває стерильним.

Повітря-субстрат, непридатний для сприятливого розвитку мікроорганізмів через недостатність у ньому поживних речовин, кра­пельної вологи і згубного впливу прямих сонячних променів. Мікро­організми можуть певний час зберігати свою життєдіяльність.

Повітря - це середовище, через яке передаються патогенні мікро­би, що розповсюджуються повітряно-крапельним або повітряно-пиловим методом. Дрібні краплі, що знаходяться в завислому стані, можуть пере­міщатися струменем повітря на більшу відстань, а потім осідати на по­верхню різних предметів. Повітряним шляхом розповсюджуються збуд­ники грипу, туберкульозу, віспи, сибірської виразки, пліснявих грибів та ін.

Таким чином, мікроби в атмосфері розповсюджені нерівномір­но, а їх склад взагалі визначається середовищем. Тому в приміщен­нях необхідно підтримувати чистоту, проводити дезінфекцію, кварцювання, провітрювання.

2. Мікрофлора ґрунту

Велика роль мікроорганізмів у формуванні ґрунту. Завдяки їм він одержує властивості живої системи. Так, 1г чорнозему містить від десятків мільйонів до декількох мільярдів мікробних клітин при загальній їх біомасі 3-5 т/га. Мікроби в ґрунті розподілені нерівно­мірно: їх більше в верхніх шарах ґрунту та поблизу рослин. Чим далі від поверхні ґрунту, тим менше мікробів, а на глибині 2-3 м їх взагалі не буває.

До складу мікробного населення ґрунту входять: ціанобактерії, плісняві гриби, актиноміцети, мікроби та інші організми.

Водорості - перші мешканці, що формують ґрунт, містять хло­рофіл і розташовані у верхніх шарах ґрунту, де достатньо вологи та світла. До складу водоростей входять пігменти, у зв'язку з чим їх розділяють на синьозелені (ціанобактерії), зелені та діатомові. Вміст пігментів дозволяє їм за допомогою енергії сонця засвоїти вуглець з повітря, а азот та інші мінеральні речовини - з ґрунту. У глибинних шарах, де відсутнє світло, вони використовують енергію розкладання органічних сполук. Таким чином, водорості можуть жити як вищі рослини або як гриби. Живучи в ґрунті, водорості (ціанобактерії) синтезують органічну речовину, фіксуючи азот з повітря та тим са­мим підвищуючи її родючість.

Мікробіологічні гриби - безхлорофільні організми, що представ­лені багаточисленною групою живих істот та розповсюджені в ґрунті. Базидіоміцети передусім зустрічаються у лісових ґрунтах, де разом з вищими рослинами утворюють грибокорінь. Плісняві гриби найбільш розповсюджені в кислих, що багаті на органічні речовини та добре аеровуваних ґрунтах.

Актиноміцети розповсюджені в лужних, добре аеровуваних ґрун­тах, а також в ґрунтах, що не багаті на вологу, але які містять достатню кількість органічних речовин. Чисельність актиноміцетів в 1 г поверх­невого шару ґрунту може досягати декількох десятків мільйонів при їх загальній біомасі 700 кг/га. Актиноміцети руйнують органічну речовину та роблять велику кількість елементів доступними для вищих рослин. Чисельність актиноміцетів більша у поверхневих шарах, із збільшен­ням глибини вона зменшується, але менша, ніж в інших грибів. На глибині 75 см чисельність актиноміцетів досягає 65%. Серед них бага­то продуцентів антибіотичних речовин, що дозволяють їм піддержува­ти рівновагу мікроорганізмів в середовищі мешкання.

Ґрунт може бути переносником збудників багатьох інфекцій: сибірської виразки, емфізематозного карбункула, ботулізму, прав­ця та ін. Деякі мікроби, особливо бацили, в ґрунті зберігаються про­тягом довгого часу.

3. Мікрофлора води

Вода - сприятливе поживне середовище для життєдіяльності мікробів. Вони дуже поширені в озерах, річках, морях та океанах, їх більше буває в прибережній зоні та на поверхні; менше - далі від берега та на глибині. За складом мікроорганізмів у воді її поділяють на три зони.

Полісапробна зона - характеризується мікробоценозами в сильно забрудненій воді з більшою кількістю речовин, що легко роз­кладаються та засвоюються. Мікробіологічні реакції відбуваються в анаеробних умовах, тому що в таких умовах інтенсивно поглинаєть­ся кисень. У процесі розкладання з'являється неприємний запах у результаті утворення метану, меркаптану, сірководню. Кількість мікробів в 1 мл води досягає декількох мільйонів.

Мезосапробна зона - мікробоценози розвиваються в середо­вищі з меншим вмістом органічних речовин. У ній інтенсивніше про­ходить мінералізація, а також процеси окислення і нітрифікації. Кількість кишкової палички зменшується, а загальне число мікробів не перевищує 100 тис. в 1 мл води.

Олігосапробна зона - мікробоценози малочисленні: в 1 мл води міститься десятки або сотні мікробних клітин; кишкова паличка відсутня. Мінералізація органічних речовин, самоочищення води закінчилось або знаходиться на стадії завершення.

До складу мікробіоценозів входять різні водорості, найпростіші, плісняві гриби, фаги та інші мікроорганізми. Між ними існують складні взаємовідносини. Живі водорості - антагоністи бактерій, а після їх загибелі споживні для цих же організмів. Хлорела у процесі масо­вого розвитку на світлі викликає інтенсивне пригнічення кишкової палички. Єдина інфузорія здатна поглинати за годину ЗО тис. мікроб­них клітин. Патогенні мікроби швидше гинуть у забрудненій воді та повільніше - у чистій. У забрудненій воді можуть бути мікроби - ан­тагоністи, фаги та інші несприятливі фактори. Такі взаємовідношен­ня сприяють підтримці рівноваги живих істот у гідросфері.

Визначити збудників інфекційних хвороб у воді не завжди лег­ка справа. Тому на практиці використовують побічні методи визна­чення забруднення води: мікробне число, колі-титр, колі-індекс.

Мікробне число - кількість колоній, яка виросла в чашці Петрі на м'ясопептонному агарі (МПА) із 1 мл водопровідної або артезі­анської води при температурі 37°С протягом 24 год. або з того ж самого об'єму поверхні води як при температурі 37°С у тій самій експозиції, так і при 20°С, але протягом 48 год. Так визначають за­гальну бактеріальну забрудненість води. Відповідно до ГОСТ 2874-82 мікробне число питної (водопровідної) води повинне бути не більше 100, шахтних колодязів - 300-400.

Колі-титр - найменший об'єм води у мілілітрах, в якому може бути визначена кишкова паличка. Колі-титр питної водопровідної води повинен бути н/м 300, води шахтних колодців - н/м 100.

Колі-індекс - кількість кишкових паличок в 1 л води. У водо­провідній воді він складає н/б 3, в шахтних колодязях - н/б 10.

Контрольні питання

1. Які фактори навколишнього середовища впливають на по­ширення мікроорганізмів у природі?

2. Наведіть приклади симбіотичних взаємовідносин.

3. Як впливає вологість на розвиток мікроорганізмів?

4. Яке практичне використання вологості для розвитку мікробів?

5. Вплив підвищення температур на розвиток мікроор­ганізмів.

6. Чим пояснюється масове поширення мікробів у природі?

7. Дати характеристику показникам санітарно-гігієнічної оцінки води.