Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция
Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов
Вопросы:
Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывают постоянное давление со стороны окружающей среды. У микроорганизмов воздействию окружающей среды открыта вся наружная поверхность клетки.
Однако именно микроорганизмы могут существовать в гораздо более суровых условиях, чем другие формы жизни. Микроорганизмы могут жить и размножаться в анаэробных условиях, встречаются в горячих кипящих источниках, кислых и щелочных источниках, на дне морей и океанов, где давление порядка 1000 атм., а температура +3-+4°С, в гипергалинных водоемах, где высокое содержание солей (Мертвое море). В оз. Дон-Жуан в Антарктиде, где концентрация СаCl2 ~ 45%, из-за чего озеро замерзает при t ниже -48°С, из живых организмов обнаружены только бактерии и дрожжи (все галофилы); фотосинтетическая активность в озере не обнаружена.
Есть микроорганизмы, устойчивые к ртути, встречаются в месторождениях ртутной руды; к тяжелым металлам.
Прокариоты способны существовать в гораздо более широком диапазоне изменяющихся условий внешней среды, чем эукариоты.
Молекулярный кислород как фактор внешней среды действует на современные микроорганизмы двояко. С одной стороны, он необходим для дыхания, как акцептор электронов. С другой стороны, молекулярный кислород является сильным окислителем и опасен для клетки. О2 – это главный окислитель в природе (а главные восстановители – Н2 и Н2S). Агрессивное действие О2 связано с его способностью окислять клеточные метаболиты. К О2 чувствительны многие ферменты бактерий, например нитрогеназа, катализирующая N2.
Опасен не только О2, но и его производные – формы неполного восстановления О2, которые возникают в процессе биологических реакций и под действием физико-химических факторов. Для полного восстановления О2 до воды требуется 4 электрона: О2 + 4Н+ + 4 е → 2 Н2О.
Процесс восстановления О2 может идти ступенчато, в результате возникают разные промежуточные формы:
1. супероксидный анион (О2ֿ это отрицательно заряженный радикал – сильный окислитель, высокореакционная форма кислорода, представляет большую опасность для организмов);
2. гидроксидный радикал (ОН· - обладает еще большей активностью и токсичностью);
3. синглентный кислород (*О2 – кислород в возбужденном состоянии – наиболее активная, реакционная форма кислорода; неконтролируемые реакции окисления могут привести к разрушению компонентов клетки);
4. перекись водорода (О2 + 2 е + 2Н → Н2О2) – это наиболее стабильный, но и менее токсичный из всех промежуточных форм восстановления кислорода – образуется у всех бактерий, растущих в присутствии кислорода;
5. озон образуется из молекулярного и атомарного кислорода: О2 + О → О3 (О2, поглощая УФ с λ=160-240 фотодиссоциирует: О2 → 2 О). И атомарный кислород, и озон – сильные окислители.
Для обезвреживания (детоксикации) этих продуктов в клетках вырабатываются ферменты:
1. для детоксикации супероксидного аниона - О2ֿ - супероксиддисмутаза;
2. для разрушения Н2О2 каталаза и пероксидаза. Перекись быстро разлагается.
3. защита от синглентного кислорода – каротиноидные пигменты. Каротиноиды химически связываются с ним.
В отношении степени токсичности самого О2 в клетке остается много неясного.
По отношению к О2 можно выделить следующие группы:
О2
▼ ▼
аэробы анаэробы
▼ ▼ ▼ ▼
облигатные облигатные
факультативные
Аэробы – облигатные и факультативные. Большинство прокариот. Среди аэробов выделяют группу микроаэрофилов, которые не способны расти при высоких концентрациях О2 (при концентрации, равной концентрации О2 в атмосфере 21%). Микроаэрофилы развиваются в среде с содержанием О2 около 2 %. К микроаэрофилам относятся азотфиксирующие (нитрогеназа чувсвительна к О2), водородные (О2 инактивирует гидрогеназу – фермент, катализирующий окисление водорода).
Среди облигатных аэробов значительные различия в устойчивости к высокому уровню О2 в среде. 100%-ное содержание подавляет рост всех облигатных аэробов. Есть виды, выдерживающие 40%-ное содержание О2 . большинство хорошо развиваются при содержании О2 - 21%.
Облигатные аэробы развиваются в условиях аноксии, т.е. без доступа О2. Не выносят присутствия О2 – погибают. К облигатным анаэробам относятся одни из самых древних бактерий метнообразующие, сульфатредуцирующие, маслянокислые бактерии.
Аэротолерантные анаэробы – это анаэробы, способные расти в присутствии О2 (молочнокислые бактерии).
Факультативные анаэробы (аэробы) – могут развиваться, как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Связано с тем, что могут переключаться с одного типа обмена на другой. Например, энтеробактерии – дыхания на брожение; денитрифицирующие – с аэробного дыхания на нитратное.
2. Влияние t на жизнедеятельность микроорганизмов
Микроорганизмы не могут регулировать свою t, их функциональная активность определяется температурой окружающей среды. t влияет на состояние макромолекул и все физико-химические процессы в клетке.
По мере повышения t возрастает скорость химических реакций (при повышении t на 10°С в два раза), ферментативная активность, увеличивается скорость роста микроорганизмов (также при повышении t на 10°С в два раза).
Для каждого организма существует температурный диапазон (около 40°С?), в пределах которого, возможен рост и размножение микроорганизмов. Диапазон ограничен min и max t.
Минимальная t – это t, ниже которой рост невозможен.
Максимальная t – это t, выше которой рост невозможен.
Оптимальная t – это t, при которой организм растет с наибольшей скоростью. Оптимальный рост наблюдается в интервале около 20 °С.
Изменения t в рамках нормального диапазона не влияют на физиологическое состояние бактерий. В зависимости от t у бактерий меняется жирнокислотный состав мембранных фосфолипидов, что обеспечивает стабильное состояние текучести мембран и их транспортных систем. При повышении t увеличивается количество насыщенных длинноцепочечных жирных кислот (у них более высокая t плавления), что повышает термостабильность мембраны. При низких t для предотвращения «замерзания» мембраны в составе липидов мембран увеличивается количество короткоцепочечных и ненасыщенных жирных кислот.
Быстрое изменение температуры среды от нормальной до экстремальной, например, резкое охлаждение обычных бактерий до 4°С или нагревание до 54°С, может вызвать повреждение клеток.
При значительном повышении t разрушаются белки, НК, нарушается проницаемость мембраны, разрушаются др. компоненты клетки, что приводит к гибели клеток.
В ответ на тепловой шок при повышении t до верхнего предела диапазона роста временно повышается уровень экспрессии белков теплового шока (БТШ) (в 10-50 раз). БТШ составляют часть обычного набора клеточных белков, но для выживания при стрессе требуются в повышенных концентрациях. Осуществляют правильную сборку отдельных белков и мультибелковых комплексов. Действуют кооперативно. Белок DnaK совместно с GrpE и DnaJ предотвращают агрегацию новосинтезированных белков и белковых молекул, не свернутых должным образом вследствие стресса. Белок GroEL, вероятно служит шепероном и участвует в укладке новосинтезируемых и несвернутых полипептидов.
Высокие t используют для инактивации микроорганизмов. В сухожаровом шкафу используют t 160-170С в течение 2-х часов. В автоклавах два фактора: давление и высокая t.
Устойчивость к температуре вегетативных клеток у разных видов бактерий различна. E. coli при 60 °С погибает через 15 мин. Эффективна пастеризация – 63-75 °С. Сальмонеллы. S. typhimurium (один из возбудителей сальмонеллеза, (возбудитель тифа – S. typhi, путь заражения фекально-оральный, воз-тель выделяется с испражнениями, мочой, слюной, передается через молоко, молочные продукты, мясо) погибает в толще куска мяса свинины через 10 мин. после того как t внутри куска достигнет 80 °С. Пастеризация молока при 85 °С в течение 30 мин. приводит к полному уничтожению сальмонелл. В замороженных желтках при – 20 °С сохранялись до 13 месяцев. (Штамм E. сoli выживал в нефти в течение 5,5 месяцев, в базовом масле – около 4 месяцев, в гексадекане – около 2,5 месяцев). Стафилококки при 80 °С погибают через 10-40 мин., при кипячении мгновенно (эндотоксин устойчив к t).
При минимальной t и ее дальнейшем понижении микроорганизмы в основном не погибают и могут длительное время сохранять жизнеспособность. [Хранение в жидком азоте (-195,8°С), в сухом льде (-78,5), в холодильных камерах используется для длительного хранения культур в лаб. условиях. Для замораживания используют медленное понижение t до - 20С и быстрое в последующем и специальные смеси, содержащие криопротекторы (глицерин, диметилсульфоксид, лошадиная сыворотка, этиленгликоль). При этом микроорганизмы находятся в условиях анабиоза. Аналог – существование микроорганизмов в ледниках Антарктиды и зонах вечной мерзлоты].
Сильное понижение t может немедленно привести к гибели, т.к. нарушаются барьерные функции мембраны, происходит потеря растворенных веществ, прекращаются процессы биосинтеза. По мере дальнейшего снижения t в клетках начинает образовываться лед, который повреждает белки и мембраны, вызывая потерю целостности клетки. Это вызывает гибель. При образовании льда вокруг клеток концентрируются соли, что приводит к локальному повышению осмотического давления, что инициирует адаптацию к осмотическому стрессу. В результате накапливаются в клетках осмопротекторы и это может защитить некоторые белки от повреждения льдом. Отдельные бактерии обладают способностью регулировать образование льда благодаря наличию центров его кристаллизации в белках наружной мембраны. Преимущество в этом случае дает упорядоченность структур льда, образующихся при кристаллизации с участием этих белков, такие структуры слабее повреждают клетки.
На основании t-ного диапазона и opt t микроорганизмы делят на три группы:
1. Психрофилы – способны к росту при 0°С. (гр. «psychria» - холод).
2. Термофилы – растут при t выше +45-50°С. (гр. «therme» -жара, тепло).
3. Мезофиллы – развиваются в диапазоне умеренных t. T-ный диапазон от +10 до 45°С, opt t 30-40°С. (гр. «mesos» - средний, промежуточный). К мезофиллам относится большинство микроорганизмов.
Прокариоты могут развиваться в диапазоне от -5 до +113° С.
Психрофилы
Способность бактерий к росту при 0С была обнаружена Форстером в 1887 г.
Делятся на две группы:
1. Облигатные психрофилы - t-ный диапазон от -10 до +20°С; opt t ~ 15°С или ниже (в зависимости от вида).
2. Факультативные психрофилы (психротрофы, психроактивные )- t-ный диапазон шире: от –10 до +35 С. opt t выше, чем у облигатных психрофилов: 20-30 С.
Облигатные психрофилы могут существовать только в местах с постоянно низкой t: в арктических морях (облигатные психрофилы арктического происхождения); в глубинах морей, океанов (в глубинных слоях Мирового океана t ~ +1-+2°С), одновременно, являясь барофилами (до 1000 атм.). В полярных и альпийских озерах, в арктических и антарктических льдах, ледниках высокогорья, в снеге, в воде колодцев, родников. Большинство психрофилов – морские обитатели.
Облигатные психрофилы очень чувствительны к повышению t, даже на 1 выше максимальной. У них нарушается деление клеток, изменяется структура клеточной стенки, происходит лизис клеток. Это касается в первую очередь бактерий, выделенных из арктических морей. Они погибают даже при комнатной t. t- 15-20 С для них губительна. Отличаются низкой метаболической активностью. Очень медленно развиваются. С ними сложно работать (в охлажденных комнатах, охлажденные приборы, в рефрежераторах).
Определенной систематической категории, объединяющей облигатных психрофилов нет. Большинство относятся к роду Vibrio. Обнаружены в различных родах бактерий: Aerobacter, Aeromonas, Azotobacter, Nitrsomonas, Nitrobacter, Micrococcus, Bacillus, Clostridium.
Известны «снежные водоросли» способны развиваться на поверхности снега или льда, окрашивая его в ярко-красный цвет (отмечал еще Аристотель). Развиваются при t от -2°С до 10°С. Наиболее распространена одноклеточная снежная водоросль Chlamydomonas nivalis, в результате развития которой снег окрашивается в розовый цвет.
Нижний t-ный предел развития психрофилов – точка замерзания. В обычных условиях это 0С, но в ряде случаев могут возникать переохлажденные жидкости с минусовой t. В природе переохлажденные растворы могут образовываться при вымораживании воды в соленых водоемах, например, под слоем льда в антарктических озерах или линзах, образующихся на литорали в условиях вечной мерзлоты. Скорость развития м/о может быть достаточно высокой. Так, для B. cryophilus при t культивирования -5С было установлено время удвоения 6 ч.
Факультативные психрофилы обитают в местах с меняющимися температурными условиями. Распространены в природе более широко, чем психрофилы: в почвах, болотах, в осадках мелководных водоемов, расположенных в холодной климатической зоне, в родниковой, колодезной воде (около 102 кл/мл воды). Вызывают порчу пищевых продуктов, сохраняемых в холодильниках и холодильных камерах. Поэтому молоко следует хранить при t 0 - +4С и реализовать в течение 24-36 часов. Мясо и рыбу следует хранить согласно данным Международного Института Холода при t ниже -12 С, а для длительного хранения рекомендуется t -25С (т.е. в холодильных камерах). Если хранить мясо при t от 0 до -12С, то имеется вероятность развития психроактивных бактерий, например, Pseudomonas и др., что приводит к появлению характерного запаха. При пониженных t могут развиваться патогенные бактерии. При t +6 С Clostridium botulinum типа Е образует токсин.
Механизмы психрофилии
1. Повышенное содержание в липидах мембран ненасыщенных жирных кислот (а у глубоководных психрофилов, одновременно являющихся и барофилами – полиненасыщенных); транспортные системы работают лучше при низких t.
2. У истинных психрофилов ферменты термолабильны и имеют низкие t-ные oптимумы. Белки психрофилов имеют больше полярных групп, чем гидрофобных (по сравнению с мезофиллами).
3. Синтез белка активизируется при понижении t.
Термофилы
К термофильным относятся микроорганизмы, способные к росту при t > 45-50С. Выделяют несколько групп:
1. Термотолерантные – диапазон от +10 до +55-60С, opt t 35-40С. Имеют температурное плато (~ 10С ).
2. Факультативные термофилы - диапазон от +20 до +65С, opt t 50-65С. 3. Облигатные термофилы - диапазон от +40 до +70С, opt t 60-70С.
4. Экстремально термофильные – диапазон от +40 до +90С, opt t 70-80С.
5. Гипертермофилы – диапазон от +80 до +115С, opt t ~ 100-105С.
Места обитания термофилов: Встречаются в саморазогревающихся субстратах (компостные, навозные кучи, угольные отвалы и т.д.), в системах водоснабжения, в метантенках при термофильном анаэробном разложении органических отходов с образованием биогаза, в высокотемпературных нефтяных пластах.
Экстремальные термофилы и гипертермофилы встречаются в горячих источниках, в глубоководных морских гидротермах.
Наиболее термоустойчивыми на сегодняшний день являются архебактерии-гипретермофилы р. Pyrococcus («неистовые огненные шарики») и Pyrodictium (огненная сеть). P. furiosus (морская архебактерия, обитает в геотермальных морских осадках) t диапазон 70-103С, opt t 100С. Pyrodictium еще более термоустойчива t диапазон 80-110С, opt t 105 С (обитает в подводных гидротермах). Т.к. для существования жизни нужна жидкая вода, то гипертермофилы, растущие при t выше 100°С, встречаются в средах с повышенным давлением (в зонах глубоководных гидротермальных вентов, где точка кипения воды выше 100°С). Верхний предел для жизни – между 113С и 130С. При 130°С АТФ и ДНК разлагаются в результате термического гидролиза. Период их полужизни сокращается до нескольких минут или даже секунд. При этом биохимическая активность едва ли возможна.
Интенсивность обмена у термофилов выше, чем у мезофилов. Среди термофилов встречаются организмы с разным типом обмена. Есть термофильные фототрофные бактерии (цианобактерии, зеленые бактерии), образующие цианобактериальные маты. Они развиваются в интервалах t 40-70С. Верхний температурный предел для фотосинтезирующих организмов (цианобактерии, зеленые, пурпурные бактерии) - 70-73С. При t > 70-73С нарушается способность к синтезу фотсинтетических мембран. Для водорослей верхний температурный предел - 55-60С. Вообще, верхний температурный предел для эукариот ~ 60-62С, причем при этой температуре могут расти лишь немногочисленные виды грибов.
Механизмы термофилии
1. В липидах мембран высокое содержание насыщенных жирных кислот. Кроме этого, эти жирные кислоты длинноцепочечные (17-19 атомов С), с разветвленными цепями, это обеспечивает механическую прочность мембран.
У архебактерий в липидах мембран отсутствуют жирные кислоты. Липиды представлены эфирами глицерина и высокоатомных спиртов (С20 –спирт фитанол и С40 –спирт бифитанол). Причем в бифитаниловых цепях спиртов имеются циклические группировки (от 1 до 4) (пятичленные кольца), количество таких цепей при повышении t увеличивается, т.к. эти структуры обеспечивают функционирование мембран при высоких t.
2. Белки термофилов термоустойчивы. Более того, они стабилизируются при повышении температуры. В белках повышенное содержание аминокислот, содержащих свободные аминогруппы, это ведет к повышению термостабильности. Отличаются по третичной структуре от мезофильных. В клетках экстремальных термофилов присутствуют особые белки-шепероны, которые организованы в термосомы, способствуют формированию специфически термостабильной третичной структуры
3. Клеточные компоненты (клеточная стенка, мембрана, рибосомы) более термостабильны, чем у мезофиллов.
4. ДНК более термостабильна, чем у мезофиллов. Обычно это связывают с повышенным содержанием G-C-пар. Однако у архебактерий содержаниие G-C-пар 31-60 % (т.е. не больше, чем у мезофиллов). Термостабильность ДНК у архебактерий обеспечивается суперспирализацией, которая достигается действием специфического фермента – обратной гиразы. Для стабилизации ДНК важны гистоны, они сдвигают точку плавления на 30°С.
3. Влияние рН на жизнедеятельность микроорганизмов
Кислотность – важный фактор среды, определяющий существование в ней микроорганизмов.
Концентрация ионов водорода в окружающей среде может действовать на микроорганизмы прямо (непосредственное воздействие Н+) или косвенно, т.е. через влияние на ионное состояние веществ, делая их доступными или недоступными для микроорганизмов.
У неспециализированных бактерий экстремальные значения рН среды влияют на клеточную стенку и ЦПМ. В результате диссоциации или протонирования входящих в их состав макромолекул (липополисахаридов, белков и т.д.) происходят изменения в локальном распределении заряда на клеточных покровах. Это приводит к изменению морфологии клеток, нарушению деления клеток, к нарушению адгезии, а также к разрушению ЦПМ. Разрушаются поверхностные белки клеточной стенки, нарушается транспорт питательных веществ в клетку.
Некоторые не токсичные для человека кислоты (уксусная, пропионовая, сорбиновая, бензойная (0,1% р-р)) используются как консерванты в производстве пищевых продуктов. Борная, бензойная, уксусная, салициловая кислоты, раствор аммиака используют как антисептики.
Прокариоты могут развиваться в диапазоне рН от 1 до 12.
В зависимости от рН среды микроорганизмы делят на несколько групп:
1. Нейтрофилы развиваются при значении рН, близком к нейтральному (opt рН 6-8), диапазон от 4 до 9. Многие виды растут или выдерживают более низкие или высокие значения рН, соответственно их относят к ацидотолерантным или алкалотолерантным. К ацидотолерантным относятся молочнокислые, уксуснокислые. К алкалотолерантным – энтерококки, устойчивые к рН 9-10. Большинство природных местообитаний (пресноводные озера и реки, многие почвы, внутренняя среда растительных и животных организмов) имеют близкую к нейтральной реакцию среды; рН пресной воды – 7. Морская вода является слабощелочной (рН 7,5 – 8).
2. Ацидофилы - кислотолюбивые микроорганизмы.
Их делят на две группы:
1. облигатные – диапазон рН от 1 до 5, opt рН 2-4. Утратили способность расти в нейтральной среде.
2.факультативные - диапазон рН от 1 до 9, opt 2-4. Способны расти в нейтральных условиях.
Места обитания. Самая кислотоустойчивая бактерия Thiobacillus thiooxidans, образует большие количества серной кислоты (окисляет H2S до H2SО4) и способна находиться в жизнеспособном состоянии даже в 1 N р-ре H2SО4, обитает в рудничных отходах (окисляет сульфидные руды).
В болотах, торфяниках (рН 2,5-6) развиваются умеренные ацидофилы. Термофильные ацидофилы р. Thermoplasma – в саморазогревающихся угольных отвалах (рН 2, t 32-80С). Термофильная Sulfolobus (рН 2-3, opt t 70-80) – в горячих кислых источниках.
3.Алкалофилы – щелочелюбивые микроорганизмы делят на две группы:
1. облигатные – диапазон рН от 8,5 до 12, opt рН 9-11.
2. факультативные– диапазон рН от 5 до 12, opt рН 9-10,5.
Места обитания. Щелочные почвы, (не выше 8,5), обогащенные щелочными минералами или экскрементами животных; пустынные почвы (рН может достигать 10); щелочные озера и источники в Кении (рН 8-11); содовые озера (рН ~ 10) – обитают натронобактерии.
К алкалофилам относятся уробактерии и многие цианобактерии.
Механизмы рН-гомеостаза
рН-гомеостазом называют поддержание рН цитоплазмы (внутриклеточного рН) в пределах узкого диапазона, несмотря на изменения рН среды.
Гомеостаз достигается совместным действием активных и пассивных механизмов.
Пассивный гомеостаз
1. Барьером для проникновения протонов в клетку служит ЦПМ. Т.к. ЦПМ обладает низкой проницаемость для протонов и других ионов.
2. Поступающие в клетку протоны нейтрализуются благодаря буферной емкости цитоплазмы, которая обеспечивается наличием в цитоплазме нуклеиновых кислот, белков, глутаминовой кислоты, полиаминов. Буферная емкость цитоплазмы возрастает при экстремальных значениях рН. В диапазоне внутриклеточного рН (6-8), характерном для большинства бактерий, буферную емкость среды обеспечивают фосфатные группы в составе РНК и ДНК. При экстремальных значениях рН большую роль играют карбоксильные группы и аминогруппы кислых и основных аминокислот. [Глутамат и полиамины играют роль при экстремальных значениях рН среды. Глутамат защищает клетку от сдвигов рН в кислую сторону.]
Активный рН-гомеостаз обеспечивается транспортом ионов. У нейтрофилов и ацидофилов основными механизмами регуляции рН служат протонные помпы и системы транспорта калия. У ацидофилов в цитоплазме поддерживается рН 6-7. Протонные помпы выкачивают протоны из клетки, что ведет к повышению внутриклеточного рН. При экстремальных значениях рН среды подкислению цитоплазмы препятствует поглощение ионов К+ (например, у Thiobacillus thiooxidans), за счет чего внутриклеточная сторона мембраны приобретает (+) и это препятствует входу протонов. Для регуляции рН не существует специальной системы поглощения калия, его вход в клетку обеспечивается главным образом активным выкачиванием протонов протонными помпами (К+/Н+ - антипорт). [Регуляция внутриклеточного рН опосредована неизвестной пока сенсорной системой и протондвижущей силой.]
У алкалофилов рН цитоплазмы составляет 8-8,8 при рН среды от 9 до 11. Основным механизмом поддержания рН-гомеостаза у алкалофилов является работа Nа+/Н+ - антипорта, который катализирует поступление в клетку протонов, при одновременном выкачивании из нее Na+ в процессе дыхания. У алкалофилов ферменты, находящиеся на поверхности клетки или секретируемые в окружающую среду, устойчивы к денатурирующему влиянию щелочной среды. Эти ферменты используются при производстве детергентов.
4. Влияние водной активности на микроорганизмы
Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды, находящейся главным образом в капельно-жидком виде. Клетки метаболически активных бактерий должны быть окружены водными пленками.
Вода необходима для нормального функционирования клетки. Все биохимические реакции протекают в водной среде. Вода выполняет роль растворителя. Влияет на конформацию макромолекул, принимающих благодаря гидратации необходимую структуру. Обмен веществ между клетками микроорганизмов и средой обычно идет через водные растворы. Вода поддерживает клеточный тургор. [Для функционирования ферментов в клетке требуется более высокая концентрация растворенных веществ в цитоплазме, чем в окружающей клетку среде. Поэтому в цитоплазме накапливаются растворенные вещества. В клетках большинства бактерий накопление растворенных веществ, в частности ионов, происходит до значительно более высоких концентраций, чем требуется для биосинтетических процессов. Это вызывает поступление в клетку воды и повышение тургорного давления, которое могло бы разорвать мембрану, если бы она не была защищена клеточной стенкой.].
Степень доступности воды для химических реакций и микроорганизмов определяется показателем активности воды аw.
аw определяют по формуле:
аw=Р/Р0 =ОВ/100 =П2/(П1-П2)
где Р – давление пара в исследуемой системе,
Р0 – давление пара над дистиллированной водой,
ОВ – относительная влажность воздуха в системе,
П1 – число молей растворителя,
П2 – число молей растворенного вещества.
Активность чистой свободной воды равна 1. аw крови – 0,995. Хотя в природе не бывает химически чистой воды. При взаимодействии воды с поверхностями, анионами, катионами, любыми гидрофильными группами водная активность аw становится меньше 1.
Водная активность раствора может изменяться двумя путями: осмотическим и матричным.
1. Осмотическое изменение аw происходит в результате взаимодействия молекул Н2О с растворенными веществами. При повышении концентрации растворенных веществ значении водной активности снижается. Снижение аw может происходить за счет:
1) повышения содержания органических веществ (сахаров);
2) повышения содержания солей.
2. Матричное изменение аw обусловлено адсорбцией молекул Н2О на поверхностях твердых субстратов. Если влажность субстрата и окружающей атмосферы уравновешена, то аw адсорбированной воды будет такой же, что и в атмосфере.
В пищевой промышленности и при домашнем консервировании снижение водной активности среды используют для инактивации микроорганизмов. Повышенное содержание солей и сахара используют при консервировании. Высушивание – для получения сухофруктов.
Для хранения микроорганизмов в лабораторных условиях используют лиофилизацию. Это метод быстрого высушивания в условиях ваккума из замороженного состояния (-76°С) в средах специального состава. В таких высушенных клетках биологические процессы резко замедлены. Используют для хранения музейных и производственных штаммов.
При повышении осмолярности наружного раствора осмолярность цитоплазмы также должна возрастать, чтобы сохранялся необходимый тургор в клетке. [Осмотическое давление осмолярного р-ра (р-р, содержащий один осмоль вещества в 1 л р-ра) равно 22,4 атм. при 0°С.]. В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут. Это приводит к плазмолизу (т.е. вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается).
В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, и это приведет к плазмоптизу (оболочка клетки может лопнуть). [Микроорганизмы, которые могли бы существовать, поддерживая внутри клеток осмолярность более низкую, чем в окружающей среде неизвестны.].
Механизм осмотической адаптации у микроорганизмов состоит в том, что постоянство тургора поддерживается путем накопления в клетках веществ – осморегуляторов. Это специфические растворенные вещества, не влияющие на активность ферментов. Обладают высокой растворимостью, способны проникать через клеточную мембрану путем регулируемого транспорта. Способны защищать ферменты от денатурации под действием солей. Эти вещества или синтезируются самой клеткой или попадают в нее из окружающей среды. Это низкомолекулярные соединения – аминокислоты (глутамат, пролин и т.д.), производные аминокислот (бетаин, эктоин), сахара, спирты (глицерин). Уравновешивают внешнее давление. Наиболее эффективные осморегуляторы – бетаин, эктоин, пролин, трегалоза. Среди неорганических осмолитиков важны ионы калия. При этом важна не столько концентрация ионов калия, столько соотношение Na+/К+, которое поддерживается за счет работы антипорта Nа+/Н+ - антипорт. Важную роль в осмопротекции играют белки, сходные с БТШ.
Микроорганизмы развиваются в диапазоне значений водной активности аw от 0,99 до 0,6. Большинство микроорганизмов развиваются при аw ≥ 0,95. Не обнаружено микроорганизмов, растущих при аw<0,6.
Наиболее приспособлены к росту при низких значения водной активности дрожжи и мицелиальные грибы (аw 0,65).
Для роста каждого микроорганизма есть оптимальное значение аw. Если водная активность станет ниже этого уровня в присутствии растворенного вещества, то часть энергии микроорганизм вынужден тратить на осморегуляцию, обеспечение транспортных систем, синтез осмопротекторов. Поэтому в условиях пониженной водной активности происходит уменьшение скорости роста, снижение выхода биомассы. При пониженной водной активности микроорганизм находится в условиях осмотического стресса. Но некоторые микроорганизмы могут достаточно хорошо расти в средах с высокими концентрациями растворенных веществ.
Осмотолерантные называют микроорганизмы, способные переносить достаточно высокие концентрации растворенного вещества, но лучше растущие при более низком осмотическом давлении раствора.
Осмфильными называют микроорганизмы, проявляющие максимальный рост в условиях высокого осмотического давления; они предпочитают развиваться в средах с пониженной водной активностью.
Осмофильными обычно называть микроорганизмы, развивающиеся в средах с высокой концентрацией сахара. Осмофилами являются спироплазмы, они встречаются в нектаре цветов (размножаются). Некоторые дрожжи могут разлагать мед, они растут при концентрации сахара 70-80 %. Однако эти дрожжи не выносят высокой концентрации соли. Мицелиальные грибы и дрожжи обитают в варенье, сиропах, сухофруктах.
Микроорганизмы, растущие в средах с высокой концентрацией солей, называют галофильными (от лат. «halo» - соль). Соленость действует на клетки как осмотический фактор.
Галофильные микроорганизмы подразделяют на умеренные и экстремальные галофилы.
Умеренные галофилы развиваются в диапазоне солености 2-5 – 15 %. Хорошо растут при 10 % NaCl. Не развиваются при низкой концентрации NaCl. Распространены в засоленых почвах, водоемах, соленых продуктах (солонина, разные рассолы, соленые соусы). Встречаются в разных систематических группах: р. Acinetobacter, Alcaligenes, Flafobacterium, Pseudomonas, Vibrio и др. описан специальный род умеренно галофильных бактерий – Halomonas. Механизм осмотической адаптации: синтез в клетках бетаина (осмопротектор), которые связываются с белками, увеличивая их стабильность. К этой группе относят морские бактерии, которые развиваются в диапазоне концентраций соли 2,5 – 5,0 % NaCl. Обитатели морей и океанов.
Экстремальные галофилы развиваются при концентрации солей (NaCl) 12-15 – 32 %. 12-15 % - это нижний предел солености, дальнейшее снижение приводит к лизису клеток. К экстремальным галлофилам относятся архебактерии, входящие в семейство Halobacteriacae. Обитают в гипергалинных водоемах (Мертвое море, где преобладают хлориды магния и кальция), на соленых шкурах животных, на соленой рыбе, на солеварнях. Легко определить по налету красного цвета. Ионы натрия стабилизируют белки клеточных стенок. Имеют белковые или полисахаридные клеточные стенки. Клетки содержат пигменты: каротиноиды и бактериородопсин. В качестве осморегулятора используют ионы калия. В клетках повышенное содержание ионов калия (1000:1), поглощаются из среды – стабилизируют кислые белки, стабилизируют рибосомы.
Ксерофильные микроорганизмы
Снижение водной активности среды может происходить за счет матричного водного стресса. Микроорганизмы более чувствительны к матричному водному стрессу, чем к осмотическому.
При влажности выше 94 % на поверхности твердых частиц и клеток м/о формируется пленка гигроскопической воды. Она необходима для нормального функционирования клетки. Большинство бактерий гигрофилы.
Микроорганизмы, развивающиеся в условиях сухости субстрата называются ксерофильными.
Они встречаются на поверхности скал, почвы, коре деревьев, поверхности листьев (эти субстраты увлажняются лишь периодически), в почвах пустынь и полупустынь. Например, в почвах Сахары обнаружены десятки видов микроорганизмов, их количество 103 – 108 кл/г. Здесь доминируют водоросли, обеспечивающие формирование этих почв, грибы, актиномицеты, бактерий меньше.
Наиболее приспособлены к сухости среды грибы и актиномицеты. Из бактерий более устойчивы кокковидные формы. Бактерии формируют капсулы при высушивании, переходят в покоящиеся стадии - образуют споры и цисты. Неспорообразующие бактерии переходят в состоянии анабиоза.
Еще один механизм ксерофилии – это использование экзогенной воды.
При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. В высушенных пищевых продуктах (рыба, мясо, фрукты) м/о сохраняются, но не размножаются. При их увлажнении – интенсивное размножение, что вызывает порчу.
Устойчивые к высушиванию патогенные бактерии: микобактерии за счет толстой клеточной стенки, содержащей большое количество липидов. Сальмонеллы могу сохраняться в комнатной пыли в течение 3 мес., в сухом кале КРС до 4 лет.
5. Влияние гидростатического давления на микроорганизмы
Бактерии относительно мало чувствительны к изменению гидростатического давления до некоторого предела. Изменение давления в диапазоне 0-100 атм. (бар) не оказывает никакого эффекта на рост большинства бактерий или его влияние незначительно. Устойчивость различна у разных видов микроорганизмов. У некоторых бактерий жизнедеятельность угнетена уже при 100 атм. А рост E. coli может даже стимулироваться при повышении давления до 200 атм., при 400 атм. ее рост замедляется, образуются нитчатые формы, при 1000 атм. – отмирание клеток.
Одна атмосфера =1,033 кг/см2 =1,013 бар.
Влияние давления на клетки микроорганизмов. Повышение давления (до 1000-3000 атм.) приводит:
1. К денатурации белков. Вызывает разрыв гидрофобных, электростатических, водородных связей в белках, что приводит к денатурации белка. Такая денатурация обратимая. При разрыве ковалентных связей происходит необратимая денатурация белка.
2. Ингибирует синтез белков. Это влияет на репликацию ДНК и деление клеток. К повышению давления чувствительнее функция размножения, чем роста, в результате появляются нитчатые формы.
Наиболее чувствительная стадия к давлению - связывание аминоацилированной т-РНК с полисомами. Функционирование рибосом зависит от содержания ионов в окружающей среде. Например, рибосомы E. coli более чувствительны к давлению при высоких концентрациях Na+ и Mg2+.
3. Повышенное давление, так же, как и понижение t, снижает текучесть липидного бислоя мембран, что приводит к нарушению транспортной функции, что замедляет рост.
В большинстве случаев под действием высокого давления (300 и более атм.) замедляется метаболическая активность микроорганизмов.
Существуют бактерии, которые не только адаптированы к высокому давлению, но и нуждаются в нем. Их называют барофилами.
Их делят на две группы:
1. Облигатные барофилы. Растут при давлении выше 600 атм. Не способны к росту при обычном давлении (погибают).
2. Баротолерантные. Эти бактерии способны развиваться как при повышенном давлении (500-600 атм.), так и при обычном.
Места обитания. Облигатные барофилы – обитатели глубин морей и океанов. Например, бактерии родов Shewanella, Maritella выделены из Мариинской впадины. С погружением в воду на каждые 10 м давление повышается на 1 атм. Среднее давление в океане – около 380 атм. На глубине 3000-6000 м – около 300-600 атм. максимальное давление на дне впадины Челленджера в Тихом океане (1160 атм.). [В Байкале – 160 атм.]. Одновременно являются психрофилами. Также связаны с организмами глубоководных организмов (рыб и т.д.), входят в состав их нормальной микрофлоры. Глубоководные барофилы обладают низкой метаболической активностью. Т.к. низкая t усиливает ингибирующее действие давления.
Также барофилы обитают в глубинных месторождениях нефти и газа, серы, в угольных местрождениях. Давление в Земле возрастает со скоростью около 0,1 атм/м, а t на 0,014°С на 1м. Из скважин выделяли на глубине 3500 м термофильные сульфатредуцирующие бактерии, где давление около 400 атм., а t 60-150°С.
Выделяются из почвы (с поверхностных слоев). Как адаптация к высокому осмотическому давлению.
Возможно в промышленных установках, где используется высокое давление.
Механизмы устойчивости:
1. Сохранение текучести мембран за счет повышенного содержания в липидах длинноцепочечных полинесащенных жирных кислот. Имеют низкую t плавления.
При повышении давления увеличивается вязкость протоплазмы, что свидетельствует о выработке бароспецифичных механизмов адаптации, еще не известных, но позволяющим штаммам размножаться, как при повышенном давлении (500, 800, 1000 атм.).
Существует прямая зависимость между баротолерантностью и скоростью АТФ. Чем выше эта скорость, тем устойчивее бактерии к давлению.
6. Влияние излучения на микроорганизмы
Солнечное излучение, проходящее через верхние слои атмосферы и достигающее поверхности Земли состоит из электромагнитных волн с длиной 300-10.000 нм.
75 % падающего на Землю света - это видимая часть спектра – охватывает диапазон 390-760 нм. Эта часть воспринимается человеческим взглядом.
20 % - инфракрасное излучение (ближнее) с λ волн от 790 нм и далее (790-1100).
5 % - УФ с λ волн 300-380 нм.
Озоновый слой поглощает волны с длиной 220-300 нм.
Влияние видимого света на микроорганизмы
Видимый свет используется фотосинтезирующими микроорганизмами. Спектральный состав ФАР различен для разных групп микроорганизмов и зависит от набора пигментов. Оксигенный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты) возможен в диапазоне от 300 до 750 нм. У этих бактерий хлорофилл а и b, с максимумом поглощения 680-685 и 650-660 нм, соответственно. У цианобактерий фикобилипротеиды (красные и синие пигменты) поглощают свет с длиной 450-700 нм.
Аноксигенный фотосинтез (пурпурные, зеленые бактерии) – в диапазоне от 300 до 1100 нм. Бактериохлорофилл b поглощает свет с длиной волны 1020-1040 вплоть до 1100 нм.
У всех фотосинтезирующих прокариот дополнительные светособирающие пигменты – каротиноиды, поглощающие свет в синей и сине-зеленой части спектра (450-550 нм).
Фототрофные бактерии обитают в анаэробной зоне водоемов, где есть H2S. На глубину 10-30 м инфракрасное излучение не проникает, максимум энергии приходится на свет λ волн 450-500 нм.
Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. Наблюдается явление фототаксиса. Ф. – это реакция бактерий на изменение спектрального состава света или освещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактериохлорофиллы и каротиноиды. У архей обнаружены специальные сенсорные пигменты (у галобактерий сенсорные родопсины). Положительный фототаксис – движение бактерий к свету, отрицательный – движение клеток в сторону уменьшения освещенности.
Для некоторых бактерий, не использующих энергию света, он служит в качестве регулятора определенных процессов обмена. Так, у водной бактерии P. putida наблюдали активацию светом некоторых ферментов, что можно рассматривать как адаптацию, поскольку именно при освещении начинается синтез фитопланктона, продукты, которого используются этой гетеротрофной бактерией.
Для некоторых нефотосинтезирующих бактерий характерна фотохромность. Фотохромность – это зависимость образования пигментов от освещения. Характерна для миксобактерий, многих актиномицетов и близких им микроорганизмам. Например, синтез каротиноидов некоторыми микобактериями стимулируется синим цветом. Фотохромность может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами. Пигменты способны защищать эти микроорганизмы от действия видимого цвета.
Солнечный свет обладает сильным антимикробным действием. Действие видимого света ответственно менее, чем за 1 % летальный повреждений (80 % летальных повреждений связано с действием света длиной волны менее 312 нм). Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у E. coli. Световые волны длиной 550 нм, и особенно 410 нм вызывают фотолизис Myxococcus xanthus. Эффект определяется поглощением света железопорфиринами.
Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий. Но если ввести в такую клетку фотосенсибилизатор, она повреждается. Природные фотосенсибилизаторы – хлорофилл, фикобилины, порфирины и др.
Влияние инфракрасного излучения на микроорганизмы
Для излучения с длиной волны более 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие инфракрасного излучения – нагревание.
Влияние ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы
Для микроорганизмов наиболее опасно УФ-излучение. Различают ближний, средний и дальний УФ.
Ближний УФ – это излучение с длиной волны 400-320 нм.
Средний УФ – λ=320-290 нм.
Дальний УФ – λ=290-200 нм.
Ближний УФ в небольших дозах нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.
В сублетальных дозах вызывает замедление роста, скорость деления клеток, угнетается индукция ферментов, способность бактерий поддерживать развитие фага.
Эти эффекты определяются тем, что у бактерий в т-РНК в 8-й позиции присутствует необычное основание 4-тиоуридин (отсутствует у эукариот). Это основание интенсивно поглощает УФ, наибольший эффект оказывает свет с длиной волны 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоуридин связывается с цитозином, находящемся в 13-м положении в т-РНК, что препятствует связыванию т-РНК с аминокислотами, и, следовательно, ведет к приостановке синтеза белка.
При относительно высоких дозах ближнего УФ – мутагенный и летальный эффекты. Нарушения ДНК при этом не столько сами УФ-лучи, сколько другие возбужденные светом молекулы. Также в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоуридином. Мутагенное и летальное действие зависит от присутствия кислорода.
Летальный эффект связан не только с повреждениями ДНК, но и мембран (их транспортных систем).
Биологические эффекты среднего и дальнего УФ сходны. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240-300 нм., т.е. в области среднего и дальнего УФ с пиком поглощения в области 254 нм В лаб. УФ-лампах преобладает излучение в области 260 нм (нижний предел длины волны света, падающего на земную поверхность, около 290 нм).
Средний и дальний УФ вызывает мутагенный и летальный эффекты. Основной механизм повреждающего действия – образования пиримидиновых димеров. В состав димеров могут входить два соседних тиминовых (Т-Т) или цитозиновых (С-С) или тиминовый и цитозиновый (Т-С). Образование димеров происходит за счет ковалентных взаимодействий между основаниями ДНК. Кроме этого, происходит разрыв водородных связей в ДНК. Это (и 1, и 2) ведет к появлению нежизнеспособных мутантов. Также под действием УФ происходит гидроксилирование цитозина и урацила, образование сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, денатурация ДНК.
В связи с повреждающим и летальным действием УФ-лучи, несмотря на то, что это наиболее богатые энергией лучи, в процессе фотосинтеза не используются. Нижний предел фотосинтеза – это использование волн с длиной 450 нм.
Влияние ионизирующего излучения на микроорганизмы
Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием положительных и отрицательных ионов. Полагают, что ионизация – основная причина радиационного повреждения цитоплазмы, и степень повреждения пропорциональна числу пар ионов.
Свет и большая часть солнечного излучения не обладают такой способностью.
Источником ионизирующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах. Также поступает из космоса. В период солнечных вспышек повышается радиационный фон.
Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицине, науке и т.д.
Важное экологическое значение имеют следующие виды ионизирующего излучения:
1. α-излучение – корпускулярное излучение – это ядра атомов гелия. Длина пробега в воздухе несколько см. Их останавливает лист бумаги или роговой слой кожи человека. Однако, будучи остановленными вызывают сильную локальную ионизацию.
2. β-излучение - корпускулярное излучение – это быстрые электроны. Длина пробега в воздухе несколько метров, а в ткани несколько см.
α-излучение и β-излучение обладают наибольшим эффектом, будучи поглощены живой тканью.
3. γ-излучение – ионизирующее электромагнитное излучение. Обладает высокой проникающей способностью. Легко проникает в живые ткани. Может оказывать действие, когда источник излучения находится вне организма.
4. Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, очень близко к γ-излучению.
К ионизирующему излучению наиболее устойчивы микроорганизмы (более 106 Рад). 1 Рад – это такая доза излучения, при которой на 1 г ткани приходится 100 эрг энергии. 1 Рентген=1 Рад. Млекопитающие чувствительны к дозе 100 Рад.
Механизм повреждающего действия
Основная мишень для ионизирующего излучения – ДНК. Повреждения ДНК бывают прямыми и опосредованными. Прямые – это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы ДНК. Бывают редко.
Более часты опосредованные повреждения. Возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые вызывают одно- и двухцепочечные разрывы (модифицируют пиримидиновые основания), что ведет к денатурации ДНК. Кроме того, возникающие свободные радикалы вызывают денатурацию белка. Все это приводит к гибели микроорганизмов, в т.ч. вирусов.
Механизмы радиоустойчивости
1. Основным механизмом радиорезистентности (как к УФ, так и ионизирующему облучению) является хорошо отлаженная система репарации ДНК.
2. Пигменты (каротиноиды) обладают радиопротекторными свойствами, но обеспечивают эффективную защиту от действия УФ.
3. Наличие в клетках веществ-радиопротекторов (например, серусодержащие аминокислоты у D. radiophilus), защищает клетку от излучения, но этот механизм недостаточен.
4. Клеточная стенка может играть роль в системах репарации ДНК. У D. radiophilus под действием радиации высвобождается фермент экзонуклеаза, участвующий в репарации ДНК.
5. Увеличенное содержание ДНК.
Радиорезистентность микроорганизмов варьирует в широких пределах. Степень устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям могут не совпадать.
Одним из наиболее резистентных к УФ-излучению считается морской жгутиконосец Bodo marina. Устойчивость может быть связана с особенностями места обитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых источников, оказываются в 3-10 раз более резистентными к радиации, чем их сородичи из обычных мест обитания.
В охладительных системах ядерных реакторах, где доза излучения превышает 106 ФЭР (физический эквивалент рентгена) обитают разные бактерии, в т.ч. рода Рseudomonas.
Одна из наиболее устойчивых бактерий как к УФ, так и γ-излучению относится к дейнококкам (р. Deinococcus) – D. radiophilus. Эта бактерия, видимо, способна репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.
8. Взаимодействие тяжелых металлов с микроорганизмами
Микроорганизмы по-разному реагируют на тяжелые металлы. Всем микроорганизмам в качестве компонентов питания необходимы те или иные тяжелые металлы, такие как кобальт (Co), медь (Cu), железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), некоторые нуждаются в молибдене, ванадии, никеле. Эти металлы входят в состав ферментов микроорганизмов.
В некоторых случаях наблюдается стимуляция развития микроорганизмов невысокими концентрациями солей свинца, кадмия и других элементов, которые не являются необходимыми для клетки, и более того, являются токсичными. Это явление можно объяснить эффектом Арндт-Шульца, который заключается в том, что аккумуляция токсичных веществ в не летальных (невысоких) концентрациях на поверхности клетки изменяет проницаемость мембраны, нарушает ее барьерные функции, что определяет свободное поступление пищи и, соответственно, усиливает метаболизм клетки.
При увеличении концентрации солей тяжелых металлов проявляется их токсическое действие. Для разных микроорганизмов токсичны различные концентрации солей тяжелых металлов. Так, для E. coli токсично содержание CdCl2 - 20 мг/л, ляписа AgNO3 – 6 мг/л. Токсичность тяжелых металлов зависит от того, в какой форме находится металл:
Наиболее токсичны свободные ионы металлов.
Проявления токсичности могут быть различными:
1. изменение клеточного метаболизма
Токсичность ионов тяжелых металлов связана с тем, что они могут выступать в роли антиметаболитов, т.е. способны соединяться с белками, нуклеотидами, коферментами, фосфолипидами и др. веществами, участвующими в метаболизме клетки, выводя их из строя или вызывая их распад. Ионы взаимодействуют с электроннодонорными группами в органических соединениях: аминогруппами, гидроксильными, карбоксильными, фосфатными, сульфгидрильными группами. Тяжелые металлы влияют на многие стороны метаболизма.
1. Ионы тяжелых металлов ингибируют металлосодержащие ферменты, путем замещения специфического катиона.
2. Нарушают синтез рибофлавина и витамина В12 , синтез гемов.
2. Вызывают нарушения функций ЦПМ. Особенно ионы ртути (Hg2+) и серебра (Ag2+). Ионы взаимодействуют с сульфгидрильными группами (-SH) мембранных белков.
2. Угнетают дыхание клетки в следствие:
а) взаимодействия металлов с компонентами дыхательной цепи
б) нарушения транспорта веществ – субстратов для дыхания.
3. У фотосинтезирующих бактерий нарушают фотосинтез. Фотосинтез чувствительнее к тяжелым металлам, чем дыхание. Например, очень чувствительны к тяжелым металлам цианобактерии. У них ртуть связывается с белками фотосинтетических мембран (тилакоидов).
4. Ингибируют синтез белка и РНК.
5. Оказывают мутагенное действие.
6. Нарушают процесс азотфиксации.
Микроорганизмы способны концентрировать тяжелые металлы, извлекая их из растворов. Микроскопические грибы адсорбируют металлы на поверхности мицелия, бактерии или внутри клеток или на поверхности. Ртуть, кадмий, серебро и уран в основном адсорбируются на поверхности клеток бактерий. Ионы меди, цинка, никеля, кобальта, свинца, стронция, а иногда кадмия и урана в основном транспортируются внутрь клеток, частично на поверхности. Активный транспорт ионов цинка, никеля, кобальта, стронция, кадмия осуществляется системой транспорта ионов магния, иногда системой транспорта ионов марганца и кальция. В некоторых случаях накопление металлов клеткой заканчивается гибелью. Биологический смысл явления неясен. Это явление – биосорбция – нашло практическое применение. Биосорбцию используют для извлечения металлов из растворов. При помощи микроскопических грибов из растворов извлекается до 96-98% серебра и золота, до 84% платины.
Механизмы устойчивости микроорганизмов к тяжелым металлам
1. Генетические механизмы. Гены, определяющие устойчивость к тяжелым металлам часто находятся в плазмидах, иногда в хромосомах. Такие плазмиды относятся к катаболическим (дегенеративные). Катаболические плазмиды несут гены синтеза ферментов, деградирующих различные соединения, например антибиотики или ксенобиотики (пестициды). Например, у некоторых штаммов S. aureus в плазмидах содержатся гены устойчивости к ионам кадмия. Часто, хотя не всегда, они соединены с генами устойчивости к антибиотикам. Эти гены кодируют синтез ферментов - соответствующих редуктаз. Можно выделить адаптивные индуцибельные редуктазы, которые образуются при культивировании штаммов на средах с тяжелыми металлами, и конститутивные редуктазы, которые постоянно продуцируются микроорганизмом, даже при выращивании на обычных средах.
В бактериальных природных сообществах всегда происходит обмен генетической информацией. Плазмиды могут переносить генетическую информацию от одного микроорганизма к другому, минуя даже межвидовые и межродовые барьеры. Так переносятся гены антибиотикоустойчивости. Плазмиды увеличивают биохимическую изменчивость популяции.
Воздействие факторов среды приводит к инсерциям, делециям или перераспределению последовательности ДНК в плазмидах. Такие рекомбинационные события изменяют структурную целостность плазмиды, и тем самым могут влиять на экспрессию ее генов путем их переориентации относительно промотора или удаления инсерционно инактивированных последовательностей. Рекомбинация может увеличивать метаболические возможности микроорганизма. Пластичность катаболических плазмид обеспечивает механизм, с помощью которого обмен генетическим материалом может привести к созданию организма, способного к эффективной утилизации нового субстрата в фазе обогащения, т.е. в накопительной культуре. В природных сообществах микроорганизмы, изначально не обладавшие способностью утилизировать данное соединение, в ответ на присутствие нового субстрата «реконструируются» путем переноса генетической информации, что приводит к способности утилизировать новый субстрат. Например, способность деградировать ксенобиотики появляется через 2 месяца после поступления их в почву.
2. Работа специфических систем транспорта удаления токсических ионов из клетки. Наблюдается общая закономерность: выброс токсичных катионов и ионов из клетки происходит за счет работы специфичных систем транспорта, которые не транспортируют из клеток важные для нее элементы, а поступление в клетку за счет работы менее специфичных систем транспорта, служащих для поступления в клетку питательных веществ.] Например, устойчивые к кадмию клетки S. aureus обладают системой выноса ионов кадмия из клетки путем антипорта Cd2+ /2H+ .
3. Другие механизмы. 1) Синтез в клетках специфических белков, богатых сульфгидрильными группами – металлотионеины. Обезвреживают токсические ионы, связываясь с ними (ионы могут взаимодействовать с различными группами в белках, особенно с сульфгидрильными). Синтез этих белков регулируется на уровне транскрипции и индуцируется в присутствии металла. 2) образование капсул - например, штаммы Klebsiella aerogenes, имеющие капсулу, устойчивее к кадмию, чем штаммы, лишенные ее. 3) обезвреживание ионов тяжелых металлов в результате взаимодействия с сероводородом. Так, у Klebsiella aerogenes описан механизм обезвреживания ионов кадмия при его взаимодействии с образуемым клеткой H2S. CdS аккумулируется на поверхности клетки, не проникая в цитоплазму. Устойчивость к кадмию у этой бактерии теряется в отсутствии металла, т. е. это индуцируемый физиологический процесс.
В природных популяциях микроорганизмов выделяются штаммы бактерий и других микроорганизмов, устойчивых к тяжелым металлам. Их можно обнаружить не только в местах обитания с высоким содержанием тяжелых металлов, но в составе любого микробного сообщества.
Использование тяжелых металлов в качестве антисептиков. Антимикробный эффект тяжелых металлов основан на способности осаждать белки и прочие органические соединения. В качестве антисептиков в медицинской практике широко используются нитрат серебра (ляпис), сульфат меди (медный купорос) и хромат ртути. Не рекомендуется применять для дезинфекции соединения свинца, мышьяка и ртути, так как они способны аккумулироваться в организме человека.
Определенные группы микроорганизмов способны использовать те или иные соединения тяжелых металлов в своем метаболизме для получения энергии или в качестве акцептора электронов. Например, тионовая бактерия – Thiobacillus ferrooxidans, обитающая в кислых рудничных стоках, способна окислять соли двухвалентного железа до Fe3+ , а также сульфиды меди, урана. Эта бактерия развивается в кислой среде при рН от 1 до 4,8 и t от 5 до 35°С. Двухвалентное железо окисляется в периплазматическом пространстве, в клетку не поступает, электроны, высвобождающиеся при окислении акцептируются медьсодержащим белком рустицианином, и переносятся в дыхательную цепь. Эти бактерии используются для выщелачивания металлов из руд – окисляют сульфидные минералы.