Источники углерода и энергии

Организмы получают энергию с помощью фотосинтеза и путем окисления неорганических соединений, способны использовать СО₂ в качестве главного источника углерода. Эти С-автотрофные организмы восстанавливают СО₂.

Все остальные организмы используют углерод из органических веществ. Органические вещества являются источником энергии и углерода, частично они ассимилируются для построения структур клетки и частично окисляются для получения энергии.

Из природных органических соединений на Земле количественно преобладают полисахариды – целлюлоза и крахмал. Структурным компонентом является молекула глюкозы.

Необходимы для роста также и факторы роста (их клетки неспособны синтезировать самостоятельно):

1. аминокислоты (составные части белков);

2. пурины и пиримидины (входят в состав нуклеиновых кислот);

3. витамины (в состав коферментов): биотин, никотиновая кислота, тиамин, пантотенат, цианкобаламин. Нужны в малых количествах.

Ауксотрофы – организмы, нуждающиеся в факторах роста.

Прототрофы – факторы роста не нужны.

Сера и азот. В виде SO₄^2- и NО₃^-. Наиболее обычный источник N соли аммония.

Рост бактериальных культур в жидких питательных средах

В жидкой питательной среде выращивают или стационарным методом, или периодическим: когда есть приток и отток питательных веществ.

Кривая роста

При выращивании в жидких питательных средах выделяют фазы роста бактериальной популяции, отражающие общую закономерность роста и развития.

А – кривая роста развития популяции клетки;

В – кривая роста при диауксии (глюкоза, сорбит).

Фаза роста

фаза роста

Аэрация: 1. путем встряхивания;

2. культивирование в тонком слое;

3. пропускание воздуха через сосуд (колба Клюйвера), (ферментер).

Для роста микроорганизмов необходимы следующие условия (оптимальные):

1. рН, температура, условия аэрации;

2. источник энергии;

3. источник углерода;

4. донор водорода (электронов).

В зависимости от механизма преобразования энергии в доступную для клетки биохимическую АТФ различают два типа метаболизма:

а) фототрофный (свет) – цианобактерии, анаэробные фототрофные серобактерии;

б) хемотрофный (окислительно-восстановительные реакции).

Все организмы, использующие органические вещества в качестве донора водорода – органотрофы.

Литотрофы – используют неорганические доноры (Н₂, NH₃, H₂S, S, CO, Fe²⁺ и др.).

Гетеротрофы – используют С органических веществ.

Автотрофы – С – из СО₂.

Аэробные методы культивирования

Виноградский и Бейеринк разработали технику накопительных культур. Этот метод очень прост. Для накопления создают условия, при которых данный организм преодолевает конкуренцию остальных.

Культивирование аэробов:

1. на поверхности плотных и жидких питательных сред;

2. глубинное культивирование в жидких средах – на качалках (встряхивание или вращение);

3. продувка, аэрация стерильным воздухом.

Культивирование анаэробов:

1. выращивание в высоком слое среды;

2. в толще плотной среды (трубка Бурри) для чистых культур;

3. по Хангейту;

4. выращивание в анаэростатах.

Популяция – совокупность бактерий одного вида или нескольких видов, растущих в определенном пространстве.

Рост – согласованное увеличение количества всех химических компонентов клетки (белка, РНК, ДНК), ведущее к возрастанию размеров и массы клетки. Рост происходит до определенной величины, после начинается размножение.

Размножение – это увеличение числа клеток микроорганизмов в популяции.

При росте бактерий в бактериальной популяции происходит три взаимосвязанных процесса: индивидуальный рост клеток, размножение бактерий и отмирание клеток.

Размножение:

1) бинарное деление – когда из 12 и т.д. (всегда предшествует репликация ДНК):

а) деление перетяжкой – сужение клетки в месте деления: впячивание оболочек до раздела. Характерно для грамотрицательных, миксобактерий.

б) деление с образованием поперечной перегородки присуще грамположительным бактериям.

Бывает смена способов деления – у тионовых и миксобактерий.

Период от деления до деления называется клеточным циклом (онтогенез бактерий).

2) почкование – дрожжи, Nitrobacter.

ЛЕКЦИЯ №5

Действие физических и химических факторов. Способы существования прокариот (способы питания микроорганизмов).

Действие кислорода

Кислород попадает в клетку в составе воды, углекислого газа и органических веществ. Необходим и молекулярный кислород.

Главная функция О₂ состоит в том, что он является конечным акцептором электоронов в дыхательной цепи (О₂ до Н₂О).

Деление микроорганизмов на группы в зависимости от молекулярного кислорода:

анаэробы

Аэробы

факультативные

облигатные

Облигатные

Строгие (растут на воздухе 2]-40%, мах до 5 0%)

по О₂

микроаэрофилы ( 2% ): азотфиксаторы (нитрогеназы), водородокисляющие (гидрогеназы) -О₂ ингибирует

аэротолерантные (молочнокислые)

строгие

SО₄^2- СО₂^2-фумарат. Metanosarcina Metanobacterium Cl.tetani Cl.perfringes Cl.acetobutylicum (спасают

эндоспоры)

Эффекты, вызываемые облучением, зависят от частоты (х) излучения. Область 300–1100 нм – видимый (в основном) свет – индуцирует такие процессы, как фотосинтез, фототаксис, фотоактивацию ДНК, синтез некоторых молекул. Для л > 1100 нм не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие ИК-излучения это увеличение скорости движения молекул, т.е. > mv² /2.

Действие коротковолнового излучения ведут к возникновению мутаций или смерти из-за высокой фотохимической активности этого излучения, ведущего к модификации или разрушению поглотивших его органических молекул.

75% энергии - видимый свет

20% - ИК

5% - УФ - с л=300-380 нм

Нижний предел длин волн определяется плотностью озонового слоя.

220 нм – вызывает ионизацию молекул кислорода, приводя к образованию озона.

Озон поглощает интенсивно в интервале 220–300 нм. Таким образом л<220 полностью поглощается кислородом.

Начиная с 300 нм и дальше излучение индуцирует фотосинтетические и фототаксические реакции, при этом диапазон, в котором возможны эти реакции, у прокариот значительно шире, чем у эукариот.

Фотосинтез – у цианобактерий и прохлорофитов в области 300–750 нм с выделением кислорода. Без кислорода – захватывает ближнюю ИК область: для зеленых бактерий до 840нм, пурпурных – до 920 нм, для некоторых пурпурных -до 1100 нм.

л=240 нм – разрыв ДНК

260 нм – разрушаются пурины и пиримидины.

Свет в диапазоне от дальнего УФ до дальнего ИК оказывает влияние на разнообразные функции (подвижность, циклы развития, синтез каротиноидов) всех микроорганизмов (и хемотрофных). 220–300 нм активно поглощается также молекулами белков и нуклеиновых кислот.

На хемотрофов свет действует в основном отрицательно, задерживая деление клеток.

УФ 260 нм образует димер тимина и нарушает репликацию.

Под действием видимого света разрывается димер и восстанавливается функция – фотореактивация.

Ионизирующее излучение (х-лучи, г-лучи, космические) менее специфично действуют на микроорганизмы, чем УФ, хотя в основном оказывает влияние на ДНК и вызывает либо бактерицидный, либо мутагенный эффект.

Очень чувствительные к ионизирующему излучению Pseudomonas fluorescens; устойчивые – Micrococcus, Streptococcus radioduraus (реакторы); вегетативные Bacillus и Clostridium – умеренно, споры очень устойчивы.