Физиология микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru

ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Как и всем живым организмам микробам присущ обмен веществ. Для построения цитоплазмы они нуждаются в пластическом материале, который получают в процессе питания. Физиологические функции движения, роста и размножения требуют свободной энергии. Такую энергию микробы получают за счет процессов дыхания.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРОБОВ

Микробы, подобно всем живым организмам, содержат в своем составе органогены (углерод, азот, кислород, водород) и элементы золы (фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, натрий, хлор, марганец). Органогены идут на построение сложных органических соединений: белков, углеводов, жиров. Минеральные вещества входят в состав белков и присутствуют в микробной клетке в виде солей.

Микробная клетка содержит 80--85% воды и 15-- 20% плотного остатка. микроб микроорганизм питание рост размножение

Вода находится частично в свободном состоянии, растворяя клеточные вещества, образуя коллоидные растворы. Большая часть воды находится в связанном состоянии и входит в состав молекул белков, жиров и углеводов. Вода принимает непосредственное участие во многих химических и физико-химических превращениях, протекающих в живой клетке. Поэтому на искусственных питательных средах (скошенный агар, свернутая лошадиная сыворотка) микробы могут расти только при достаточном количестве воды. Это достигается тем, что при правильном приготовлении питательных сред на дне пробирок образуется конденсационная вода, способствующая нормальному росту микроорганизмов. Наибольшая концентрация воды у капсульных бактерий, а наименьшая -- в споре.

Помимо воды, в микробной клетке содержатся белки, углеводы, липиды, ферменты, витамины и минеральные вещества.

Белки. Важнейшей составной частью органического вещества микроорганизмов являются белки. Общее количество белка в бактериях колеблется от 50 до 75% сухой микробной массы. Основные свойства бактериальной клетки (антигенные, токсигенные и др.) зависят от характера и свойств белков, содержащихся в бактериях. Основная масса бактериального белка у патогенных микробов состоит из нуклеопротеидов (вещества, построенные из белка и нуклеиновых кислот), играющих важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов.

Кроме нуклеопротеидов, в цитоплазме микробов в незначительных количествах находятся глюкопротеиды, липопротеиды и хромопротеиды. К протеидам принадлежат и многочисленные ферменты микробов.

Видовая специфичность микробов зависит от количественного и качественного состава белковых веществ.

Углеводы. Общее количество углеводов в бактериальной клетке колеблется от 12 до 28%. Основная масса углеводов бактерий представляет собой сложные соединения -- полисахариды, встречающиеся в свободном или связанном состоянии с белками или липоидами. У ряда бактерий обнаруживаются зерна крахмала и гликогена. Синтезируемые некоторыми бактериями полисахариды обладают свойством откладываться на поверхности клеток, образуя капсулу. С полисахаридами связана типовая специфичность микробов.

Липиды. Общее количество липидов, т. е. жиров и жироподобных веществ -- липоидов в микробной клетке колеблется от 0,2 до 41%. Высокие концентрации липоидов обнаружены у туберкулезной бактерии и других кислотоустойчивых микробов. Роль липоидов в бактериальной клетке весьма значительна. В соединении с белками липоиды поддерживают необходимую для жизни цитоплазмы структуру. Липоиды входят в состав оболочек клетки, придавая им устойчивость к воздействию различных факторов, играют роль запасных питательных веществ, входят в состав глюцидолипоидных комплексов, обусловливающих токсигенные и антигенные свойства некоторых патогенных бактерий.

Минеральные соли. Общее содержание золы в бактериях колеблется от 2 до 14% веса сухой массы клетки. Основными элементами золы микробов являются: фосфор, натрий, калий, кальций, магний, железо, медь, кремний, сера; на первом месте по количеству находится фосфор. Последнее объясняется тем, что фосфор в виде фосфорной кислоты является одним из основных звеньев углеводного и липоидного обмена и входит в состав нуклепротеидов. Из неорганических соединений большое значение для жизнедеятельности микробов имеет хлористый натрий (NaCl), обеспечивающий изотонию среды, в которой находится микроорганизм, и его клеточного содержимого. Этим обусловливается нормальный ход физико-химических процессов в клетке. Поэтому все искусственные питательные среды готовят при обязательном добавлении хлористого натрий. Сера принимает участие в процессах дыхания. Железо необходимо для синтеза окислительных ферментов. В виде следов встречаются алюминий, марганец, цинк и др.

Химический состав микробов, количественное и качественное содержание в них органических и неорганических веществ зависит от продуктов, находящихся в питательной среде, характера обмена веществ, возраста культуры, интенсивности жизненных процессов и условий существования во внешней среде.

Микроорганизмы, как и все живые существа, прошли сложный эволюционный путь развития. Это находит отражение не только в морфологии микробов, но и в их физиологии (питание, дыхание, размножение).

Питание играет важнейшую роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Благодаря питанию происходит обновление их цитоплазмы и ядра, рост и размножение и накапливается необходимая энергия для сложных биосинтетических процессов.

Источниками питания для микробов служат сложные органические и неорганические соединения, минеральные вещества и витамины. По типу питания, по его сложности микроорганизмы делятся на две основные физиологические группы: 1) аутотрофы, или прототрофы; 2) гетеротрофы. Гетеротрофы в свою очередь подразделяются на метатрофы и паратрофы.

Аутотрофное питание -- наиболее простой тип питания. Микробы -- аутотрофы способны усваивать органогены в виде элементов и неорганических соединений. Примером аутотрофов могут служить открытые С. Н. Виноградским нитрифицирующие бактерии почвы. Эти бактерии усваивают углерод из углекислоты (подобно растениям), азот -- из аммиака и его солей, а кислород и водород -- из воды. Для ассимиляции углекислоты аутотрофы используют солнечную энергию (фотосинтез) или химическую энергию (хемосинтез), получаемую при окислении бактериями различных минеральных соединений.

У гетеротрофов тип питания более сложный. Эти микробы уже нуждаются в готовых органических соединениях, причем метатрофы усваивают органогены из мертвых органических веществ, а паратроф ы для построения цитоплазмы используют живую материю. Источниками углерода для этой группы микроорганизмов служат сахара, многоатомные спирты, карбоновые кислоты, молочная, лимонная, уксусная кислоты, этиловый спирт, а источниками азота -- аминокислоты. Как и аутотрофы, водород и кислород они получают из воды, а кислород -- из атмосферы.

Многие микроорганизмы, помимо обычных питательных веществ, нуждаются еще в весьма существенных факторах роста. Факторами роста являются витамин В6, пантотеновая, никотиновая кислоты и многие другие вещества.

Процесс обмена веществ между микробной клеткой и окружающей ее средой представляет сложное явление, зависящее от ряда факторов: концентрации питательных веществ в клетке и вне ее, проницаемости этих веществ через клеточную стенку, pH внешней среды, электрического заряда оболочки, химической природы питательных веществ и т. д. В микробную клетку питательные вещества из окружающей среды поступают через полупроницаемую оболочку путем диффузии и осмоса или путем обменной адсорбции, сущность которой заключается в следующем. Электрический заряд микробной оболочки адсорбирует на поверхности противоположно заряженные ионы питательной среды, которые затем проникают внутрь клетки, где используются для построения различных органических веществ. Через оболочку проникают только те ионы питательной среды, размеры которых не превышают размеров ее пор (М. Ф. Федоров). Клеточная стенка пропускает внутрь клетки воду, растворы кристаллоидов и некоторые органические вещества, но она не проницаема для коллоидов. В связи с этим вещества коллоидной природы могут быть использованы только после предварительного их расщепления при помощи ферментов, которые выделяют микроорганизмы (экзоферменты). Поступившие в микробную клетку вещества синтезируются, в результате чего образуются белки, углеводы, липиды и другие сложные органические вещества. Через оболочку из микробной клетки в окружающую среду выделяются разнообразные продукты жизнедеятельности, включая сложные белки (токсины, ферменты и др.).

В результате процесса питания происходит рост бактерийной клетки, т. е. увеличение массы ее цитоплазмы. Клетка, достигшая определенного возраста, делится на две дочерние путем простого поперечного деления. Деление считается законченным, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегородкой. В этом и заключается процесс размножения у бактерий.

Перегородка чаще всего образуется в середине клетки, и дочерние клетки получаются одинаковой величины. Иногда перегородка образуется ближе к одному концу, тогда дочерние клетки неодинакового размера. Плоскость, в которой происходит деление у различных микроорганизмов, неодинакова. Палочки всегда делятся только поперечно. У кокков деление происходит в разных плоскостях, что приводит к различным группировкам кокков (стафилококки, диплококки, стрептококки, сарцины).

Большинство извитых форм бактерий размножаются так же, как и палочки, т. е. делятся поперечно.

Помимо поперечного деления, у некоторых бактерий (микобактерии, коринебактерии) начало новым особям дают боковые выросты.

Скорость размножения бактерий в благоприятных условиях существования чрезвычайно велика: каждые 15--20 минут из одной особи получаются две. Подсчитано, что если за 1 час микроб будет давать только две особи, то через сутки число их достигнет 16,5 миллионов, а за 5 суток составит количество микроорганизмов, «могущее заполнить бассейны всех морей и океанов» (В. Л. Омелянский).

Размножение микробов, засеянных на жидкую питательную среду, происходит в несколько последовательных фаз:

1. Первая фаза--латентная, или исходная стационарная. Во время этой фазы происходит приспособление микробов к питательной среде, они не размножаются, и некоторое количество засеянных особей даже погибает. Лишь к концу фазы начинается процесс размножения.

2. Вторая фаза--фаза логарифмического Роста. Она характеризуется тем, что микробы начинают энергично размножаться, скорость их деления постоянная, вследствие чего количество клеток возрастает в геометрической прогрессии.

Единицы времени

Рис. 21. Фазы размножения бактерий. ab -- исходная стационарная; bd -- фаза логарифмического роста; de -- стационарная фаза; eg -- стадия отмирания.

3. Третья фаза -- стационарная, или период зрелости. В этой фазе максимальное количество размножившихся клеток некоторое время удерживается на одном определенном уровне. Концентрация клеток в питательной среде постоянна. Такое постоянство объясняется тем, что размножение и отмирание клеток уравновешивают друг друга.

4. Четвертая фаза -- период старения, или стадия отмирания культуры, наступающее от истощения питательной среды и накопления в ней вредных продуктов обмена в результате жизнедеятельности культуры.

Графически это показано на рис. 21.

Репродукция вирусов изучена еще недостаточно. Согласно последним данным, цикл репродукции вирусов состоит из трех основных периодов: подготовительного, латентного и заключительного. Проникнув в организм человека или животного, они адсорбируются на поверхности тех клеток, которые к ним чувствительны. Ферменты клеточной стенки разрушают белковую оболочку вируса и тогда освободившаяся ДНК или РНК вируса проникает внутрь клетки. Это приводит к изменению характера обмена веществ клетки и образованию новых ферментов, которые синтезируют специфические для данного вируса нуклеиновые кислоты и белки. В ядре клеток синтезируются нуклеиновые кислоты, в цитоплазме -- белки. В конечной стадии из этих компонентов образуются новые вирусные частицы -- вирионы (репродукция вирусов), которые выделяются из пораженных клеток, а затем они адсорбируются новыми клетками и т. д.

Для решения основных задач бактериологического исследования (выделение чистых культур бактерий, определение их биологических свойств и т. д.) необходимо уметь выращивать микробов в лабораторных условиях. Это осуществляется на питательных средах. Правильно приготовленные питательные среды определяют успех работы лаборанта-микробиолога.

В состав питательных сред должны входить:

1. Вещества, необходимые для роста и размножения, а также для построения бактериальной клетки: источники азота, углерода, кислорода и водорода.

2. Неорганические соединения в виде различных солей.

3. Бактериальные витамины, или так называемые факторы роста.

Помимо этого, питательные среды должны иметь определенную вязкость, влажность и реакцию среды. Микробы приспосабливаются к некоторым колебаниям этой реакции, но для каждого микроба имеются границы, пределы которых эти колебания не должны переходить.

В микробиологической практике существует много самых разнообразных питательных сред. В зависимости от их свойства, состава и назначения питательные среды можно разделить на несколько групп.

По происхождению различают: а) естественные питательные среды и б) искусственные питательные среды.

К первым относятся сыворотка крови, желчь, яйца, молоко, картофель, морковь. Ко вторым -- питательные среды, приготовленные из мясных или растительных настоек, к которым добавляют различные азотистые продукты, углеводы и соли, например мясо-пептонный бульон, мясо-пептонный агар и т. д.

По консистенции среды разделяют на плотные, полужидкие и жидкие. К плотным средам относится мясо-пептонный агар, питательная желатина, свернутая сыворотка, свернутый яичный белок, картофель и др. Полужидкой питательной средой является 0,5% мясо-пептонный агар. К жидким средам относится мясопептонный бульон, пептонная вода, сахарный бульон и др.

По составу все питательные среды могут быть разделены на три группы:

1. среды основные, или простые, употребляемые для выращивания большинства патогенных микробов (мясо-пептонный бульон, мясо-пептонный агар, мясопептонная желатина и др.);

2. среды специальные, или элективные, применяемые для выделения и выращивания определенных патогенных бактерий, которые на обычных средах плохо или совсем не растут (сахарный бульон, желчный бульон, агар с кровью и др.);

3. среды дифференциально-диагностические, служащие одним из вспомогательных средств при определении (идентификации) чистой культуры исследуемого микроорганизма (углеводы пестрого ряда Гисса, агар Эндо и др.).

Размещено на Allbest.ru