Общая микробиология - Балашовский институт

Балашовский институт (филиал)
Государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования
«Саратовский государственный университет
имени Н. Г. Чернышевского»
ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Учебное пособие
для студентов экологических, биологических
и агрономических специальностей вузов
Е. Б. Смирнова, М. А. Занина, М. В. Ларионов, Н. Ю. Семенова
Наука
2010
86
УДК 579.2+574+576.8
Авторы-составители:
Елена Борисовна
Марина Анатольевна Занина
Максим Викторович Ларионов
Наталья Юрьевна Семенова
Рецензенты:
Доктор биологических наук, профессор Брянского государственного
университета имени академика И. Г. Петровского
Валерий Борисович Любимов;
Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Саратовского
государственного аграрного университета имени Н. И. Вавилова
Геннадий Николаевич Попов;
Кандидат биологических наук, доцент Балашовского института (филиала)
Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского
Вера Александровна Обидина.
мендовано к изданию Научно-методическим советом Балашовского института
(филиала) ГОУ ВПО
Саратовский государственный университет
мени Н. Г. Чернышевского».
Общая микробиология: учебное пособие для студентов экологических,
биологических и агрономических специальностей вузов / Е. Б. Смирнова, М. А. Занина,
М. В. Ларионов, Н. Ю. Семенова. – Саратов: Наука, 2010. – 134 с.
ISBN 978-5-999-04-81-2
В учебном пособии изложен теоретический материал и практические примеры
губительных заболеваний растений, животных и человека. Учебное пособие содержит
современные представления о микробиоценозах, бактериях, вирусах, микроскопических
грибах, их взаимоотношениях между собой и с окружающей средой. Рекомендуется
использовать студентам высших учебных заведений, обучающихся по экологическим,
биологическим и агрономическим специальностям, студентам средне-специальных
учебных заведений медико-биологического и сельскохозяйственного профиля, учителями
биологии и экологии.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………...……………………….………….4
1 ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МИКРОБИОЛОГИИ……………………………….….…….5
2 СИСТЕМАТИКА, КЛАССИФИКАЦИЯ И МОРФОЛОГИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ……………………………..………………………..…..…..7
3 ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В РАЗНЫХ СРЕДАХ ЖИЗНИ………….….…25
4 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ………….…………………………….…42
5 ТОЛЕРАНТНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ К ФАКТОРАМ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ……………………………………………………..……50
6 ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРО- И МАКРООРГАНИЗМОВ…….…..…………...….63
7 УЧЕНИЕ ОБ ИММУНИТЕТЕ……………………………………………......……67
8 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ БЕЗАЗОТИСТЫХ
ВЕЩЕСТВ…………………………………………………………...…....…….….81
9 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА........................96
10 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ СОЕДИНЕНИЙ
СЕРЫ, ФОСФОРА И ЖЕЛЕЗА…………………………………………………….112
11 СИНТЕЗ МИКРООРГАНИЗМАМИ БЕЛКА И БИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ………………………………………………...……..….118
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………..…………………….…..126
ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………...………………129
3
ВВЕДЕНИЕ
С тех пор как ученые узнали о существовании микроскопически малых
существ – микробов, их внимание концентрировалось в основном на
изучении тех микроорганизмов, которые вызывают болезни человека и
животных. Однако мир микроорганизмов чрезвычайно разнообразен. После
того как Антуан ван Левенгук в XVII веке впервые увидел в микроскоп и
зарисовал мельчайшие подвижные существа, знания о микроорганизмах
бесконечно расширились. Оказалось, что, помимо коварных и жестоких
врагов человека – возбудителей инфекционных заболеваний, существует
огромное число полезных микроорганизмов. Их используют в различных
отраслях промышленности: хлебопечении и виноделии, пивоварении и
сыроварении, в производстве антибиотиков и биологически активных
веществ.
В настоящее время специалисты научились выделять и выращивать
микроорганизмы, отличать
возбудителей инфекционных
болезней
от
микробов-сапрофитов, которые не вызывают заболеваний.
Учебное пособие по общей микробиологии построено в соответствии с
действующей программой курса «Микробиология».
На современном уровне развития естественных наук требуются
глубокие знания микробиологических производств и служащих гарантией
защиты окружающей среды от антропогенного воздействия.
В учебное пособие вошли все основные разделы, охватывающие
морфологию, биологию и экологию микроскопических организмов. В нем
профессионально охвачен весь основной теоретический курс учебного
материала.
Предлагаемое пособие может быть полезно студентам, изучающим
микробиологию,
специалистам
смежных
областей,
микроорганизмами, учителям биологии и экологии.
4
работающим
с
1 ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МИКРОБИОЛОГИИ
Микробиология (от греч. micros — малый, bios — жизнь, logos —
учение) — наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом
организмах. Она изучает бактерии, миксобактерии, микоплазмы, риккетсии,
вирусы, фаги, спирохеты, актиномицеты, плесневые грибы и дрожжи. К
микроорганизмам
относятся
также
простейшие
и
микроскопические
водоросли.
Задачи микробиологии в народном хозяйстве настолько разнообразны,
что существует отраслевое разделение ее на ряд специализированных
научных дисциплин (сельскохозяйственная микробиология, почвенная,
техническая, медицинская, ветеринарная, геологическая и др.).
Общая микробиология изучает основные закономерности развития и
жизнедеятельности всех групп микроорганизмов, а также роль и значение
микробов в процессах круговорота веществ в природе, с целью возможности
регулирования последних в интересах человека.
Изучение микробного состава почв — первоочередная задача
почвенной микробиологии, так как, не зная видового состава и количества
микроорганизмов, нельзя планомерно решать многие проблемы почвенного
плодородия.
Важным
является
установление
так
называемой
ризосферной
(корневой) микрофлоры, оказывающей большое влияние на питание и рост
растений. Микроорганизмы создают гумус почвы, оструктуривают ее, без
них немыслимо первичное формирование почв, нет плодородия почв.
Общеизвестна роль клубеньковых бактерий, которые, находясь в
симбиозе с бобовыми растениями, улучшают их азотное питание и
обогащают почву азотом.
Большим достижением почвенной микробиологии является выявление
у
микроорганизмов
биологически
активных
веществ
(антибиотиков,
витаминов, гормонов, аминокислот, ферментов и т.д.), играющих особую
5
роль в жизни низших и высших организмов. Учение о синтезе этих веществ
микробами составляет особый раздел микробиологии.
Техническая микробиология разрабатывает научные основы для
развития
хлебопечения,
производства
молочнокислых
продуктов,
пивоварения, винокурения, получения ацетона, бутилового спирта, лимонной
и уксусной кислот и ряда других технических продуктов.
Медицинская микробиология изучает микроорганизмы, патогенные
для человека (т.е. вызывающие болезни), их морфологию и физиологию,
устойчивость и распространение во внешней среде, чувствительность к
различным химическим веществам, процессы взаимодействия микробов и
макроорганизма, т.е. инфекцию и иммунитет.
Ветеринарная микробиология изучает возбудителей заразных болезней
у животных, способы диагностики, профилактики и лечения этих болезней.
Серьезное
внимание
уделяется
разработке
и
использованию
эффективных методов применения микроорганизмов в животноводстве с
целью получения кормовых продуктов (аминокислот, белков), производства
кормовых антибиотиков, витаминов, ферментов и т. д.
Микробиология также изучает роль различных групп микробов в
круговороте веществ в водоемах и в питании рыб. Некоторые бактерии
принимают участие в образовании полезных ископаемых.
Изучение микроорганизмов имеет большое значение в выяснении
вопросов наследственности и эволюции различных форм жизни на Земле.
В связи с проникновением человека в космос развивается новый раздел
— космическая микробиология, которая изучает влияние космических лучей
на микрофлору человека, свойства земных микроорганизмов в космосе.
Значение микробиологии и возможности ее широкого использования в
народном
хозяйстве
привели
к
промышленности.
6
созданию
микробиологической
2
СИСТЕМАТИКА,
КЛАССИФИКАЦИЯ
И
МОРФОЛОГИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Все виды микробов носят название «протисты», или «простейшие».
Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру, именуются
протофитами (простейшие растения), а к животному миру — протозоями
(простейшие животные).
Систематика микроорганизмов
Все микроорганизмы, существующие в биосфере Земли, относятся к
трем царствам природы:
I. Эукариоты (простейшие животные и растения, грибы).
II.
Прокариоты
(цианобактерии
—
сине-зеленые
водоросли,
получающие энергию за счет фотосинтеза, и скотобактерии, нейтральные к
свету), дифференцирующиеся в свою очередь на три класса:
1. Bacteria (включает кокки, палочки, актиномицеты, спириллы,
спирохеты).
2. Rickettsiae.
3. Mollicutes.
III. Vira (составляют вирусы, фаги).
Большинство микроорганизмов — одноклеточные существа, видимые
только под микроскопом. К ним относятся бактерии, миксобактерии,
актиномицеты, дрожжи, риккетсии, спирохеты и некоторые водоросли. К
многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и большинство плесневых
грибов,
которые
иногда
достигают
таких
размеров,
что
видны
невооруженным глазом.
Кроме многоклеточных и одноклеточных микроорганизмов, в природе
обитают живые существа бесклеточной структуры — ультрамикробы. Из них
наиболее важное значение имеют вирусы и фаги.
7
Бактерии
Форма бактерий. Бактерии делятся на три основные группы:
шаровидные (кокки), палочковидные, или цилиндрические, (бактерии и
бациллы) и извитые (вибрионы и спириллы) (рис.1).
Рис. 1. Основные формы бактерий: 1 — микрококки; 2 — стрептококки;
3 — диплококки; 4 — стафилококки; 5 — сардины; 6, 7 — палочковидные; 8 —
вибрионы; 9 — спириллы; 10 — спирохеты.
Кокки (греч. coccos — семя) обычно имеют правильную форму шара.
Под влиянием различных факторов кокки могут принимать овальную,
эллипсовидную и коническую формы.
В зависимости от расположения клеток после деления кокки
подразделяются на несколько групп:
1. Микрококки (Micrococcus)—кокки, которые по окончании деления
не остаются вместе, а располагаются беспорядочно, по одному.
2. Диплококки (от греч. diplos — двойной) — кокки, которые после
деления клетки остаются соединенными попарно.
3.
Тетракокки (от греч. tetra — четыре) — кокки, сцепленные по
четыре вследствие деления клетки последовательно в двух взаимно
перпендикулярных направлениях.
4. Сарцины (от лат. carcio — соединяю) — скопление кокков в виде
8
пакетов из 8—18 и более клеток, когда они делятся постоянно в трех взаимно
перпендикулярных плоскостях.
5.
Стрептококки (от греч. streptos — цепь) — кокки, у которых
деление совершается всегда в одном направлении, а возникающие новые
клетки не отделяются друг от друга и образуют различной длины цепочки.
6.
Стафилококки
(от
греч.
staphyle
—
гроздь)
—
кокки,
расположенные в виде гроздьев винограда, благодаря делению клеток в
различных направлениях.
Палочковидные бактерии. Клетки их могут быть короткими и
длинными. Концы клеток бывают срезанными, слегка вдавленными внутрь,
закругленными или заостренными, иногда на них наблюдаются вздутия. Эти
бактерии принято делить на две группы: палочки, образующие споры,
называются бациллами (от лат. bаcillum — палочка), а палочки, не
образующие спор, — бактериями (от греч. bacteria — палочка).
Если среди палочковидных форм встречаются парные соединения, их
называют диплобактериями, или диплобациллами, если они располагаются
цепочкой, — стрептобактериями или стрептобациллами.
Когда длина палочек едва отличается от ширины и разница между
обоими измерениями становится почти незаметной, то такие палочки
называются коккобактериями.
Извитые бактерии. К ним относятся вибрионы, спириллы и
спирохеты. Вибрионы представляют собой слегка изогнутые клетки, изгиб
которых не превышает четверти оборота. Спириллы — длинные изогнутые
палочки с одним или несколькими завитками.
Размеры бактерий. Beличина их измеряется в микрометрах (мкм) и
нанометрах (нм). Диаметр клеток у кокковых форм варьирует от 1,5 до 2,5
мкм. Обычная величина палочковидных бактерий находится в пределах 0,8—
1,2×2—10 мкм. Среди извитых форм, а также у серобактерий и
железобактерий встречаются более крупные клетки, размеры которых
достигают до 2—3×20— 50 мкм.
9
Строение
бактериальной
клетки.
По современным данным,
бактериальная клетка состоит из тех же морфологических компонентов, что
и клетки животных и растений: она имеет оболочку, цитоплазму, ядерный
аппарат и цитоплазматические включения (Приложение, рис. 1).
Оболочка
клетки
тонкая,
относительно
плотной структуры,
толщиной от 10 до 60 нм, составляет около 20 % массы сухого вещества.
Оболочка защищает клетку от воздействия внешней среды и выдерживает
значительное внутриклеточное осмотическое давление 300—600 кПа.
В зависимости от особенностей химического состава оболочки все
виды бактерий по-разному относятся к способу окраски, разработанному
датским ученым Грамом.: По этому способу окраски бактерии могут быть
разделены
на
грамположительные,
устойчиво
окрашивающиеся
в
фиолетовый цвет, и грамотрицательные, не сохраняющие этой окраски.
Сущность окраски по Граму заключается в том, что бактериальную клетку
обрабатывают генцианвиолетом и йодом, а затем промывают спиртом.
Клеточная оболочка грамположительных бактерий содержит значительное
количество мукополисахаридных, полифосфатнуклеотидных комплексов, с
которыми генцианвиолет и йод прочно связываются и поэтому медленно
вымываются спиртом. У грамотрицательных бактерий указанных выше
комплексов значительно меньше, и они размещаются в глубине клетки.
Поэтому генцианвиолет и йод легко разрушаются спиртом и клеточная
оболочка быстро обесцвечивается.
Цитоплазма у бактерий представляет прозрачную водянистую или
слегка
вязкую
однородную
смесь
коллоидов.
В
ней
могут
быть
суспензированы также пигменты, запасные питательные вещества и жиры.
По химическому составу цитоплазма представляет собой сложную смесь
воды, белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, минеральных
веществ и других органических соединений.
Ядро. У большинства микроорганизмов имеется область, в которой
сконцентрировано
основное
количество
10
дезоксирибонуклеиновой
кислоты (ДНК). У более крупных микроорганизмов и сложноорганизованных
бактерий, как, например, миксобактерии
существуют
определенные
структуры
и
нитробактер, в этой области
(органеллы),
окруженные
оболочкой, как ядро.
Подвижность бактерий. Значительное число палочковидных форм
бактерий обладают активной подвижностью. Все виды спирилл и вибрионов
могут самостоятельно двигаться. Кокки неподвижны, за исключением
отдельных видов.
По характеру расположения жгутиков и их количеству принято
подвижные бактерии делить на группы: монотрихи-бактерии с одним
жгутиком, расположенным на полюсе клетки, например холерный вибрион;
лофотрихи-бактерии с пучком жгутиков на одном из концов клетки,
например
флуоресцирующая
палочка; перитрихи-бактерии с большим
числом жгутиков, расположенных по всей поверхности бактериальной
клетки, например кишечная палочка.
Спорообразование. Спорообразование у бактерий является одним из
средств адаптации к неблагоприятным экологическим условиям среды
(недостатку питательных веществ, наличию вредных продуктов обмена в
среде, пессимум высоких или низких температур и ряд других).
Спорообразование характерно для
палочковидных форм, среди
кокковых форм оно встречается редко (Planosarcina ureae), а у извитых форм
вообще не наблюдается.
Споры устойчивы к высушиванию, высокой температуре, большим
концентрациям химических веществ. Это свойство спор обусловлено малой
концентрацией воды в цитоплазме и большим содержанием липоидов. Вода в
спорах
находится
в
связанном
состоянии,
поэтому
процессы
жизнедеятельности у спор значительно понижены, что также повышает их
стойкость. Бактерии в виде спор могут сохранять жизнедеятельность в
состоянии покоя десятки и сотни лет. Попав в благоприятные условия, спора
начинает прорастать.
11
Миксобактерии
Особую группу составляют миксобактерии, или слизистые бактерии
(от греч. mухо — слизь). Большинство миксобактерий — сапрофиты. Клетки
их имеют вид палочек с заостренными концами размером от 1—2 до 10 мкм.
Миксобактерии подвижны, хотя и не имеют жгутиков, они передвигаются
реактивным путем, выделяя слизь в одну сторону. Клетки миксобактерий
лишены плотной оболочки, имеют оформленное ядро. Размножаются
перетяжкой с одновременным делением ядра.
Миксобактерии — облигатные аэробы, живут и размножаются только
при доступе свободного кислорода. Они предпочитают нейтральную среду,
хотя переносят кислую и щелочную реакции среды с высокой влажностью.
Оптимальная температура для их развития 30 °С. Встречаются в почве,
навозе, на разлагающихся растительных остатках в виде слизистых
образований. Они активно разрушают самые разнообразные вещества
животного и растительного происхождения, в том числе клетчатку, хитин,
превращая их в соединения, пригодные для питания растений.
Микоплазмы и L-формы
В отличие от бактерий микоплазмы и L-формы не имеют клеточной
стенки, вследствие чего у них наблюдается выраженный полиморфизм. Они
могут
быть
представлены
шаровидными,
ветвистыми
телами
или
бесформенной зернистой массой. Размеры их от 1–8 мкм до 250 нм.
Микоплазмы впервые были открыты в 1898 г. как мельчайшие
микроорганизмы, способные проходить через бактериальные фильтры. Lформы открыты в 1935 г. как варианты микроорганизмов, утративших
клеточную оболочку, но сохранивших способность роста и размножения. Lформы описаны почти у всех болезнетворных бактерий.
12
По химическому составу микоплазмы и L-формы отличаются от
бактерий отсутствием компонентов, входящих в состав клеточной оболочки.
Характерным общим признаком микоплазм и L-форм является
наличие
цитоплазматической
мембраны
толщиной 7,5 нм, по своему
строению близкой к мембране бактерий, а также ядерного и рибосомального
аппарата. Оба вида микроорганизмов сходны по аминокислотному составу и
по содержанию нуклеиновых кислот (РНК, ДНК) и углеводов. Микоплазмы и
L-формы также сходны по форме и структуре колоний.
Данные о морфологии и биологии микоплазм L-форм дают основание
предполагать, что микоплазмы являются стабильными L-формами бактерий,
лишенных клеточной оболочки и возникших в результате генетических
мутаций, а стабильные L-формы бактерий являются одной из стадий
филогенеза микоплазм (В. Д. Тимаков).
Риккетсии
Риккетсии
—
своеобразные
микроорганизмы,
занимающие
промежуточное место между бактериями и вирусами.
По форме риккетсии делятся на четыре группы (П. Ф. Здродовский):
кокковидные, палочковидные, бациллярные и нитевидные. Размеры их
колеблются от 1,0—1,5 до 20—40 мкм. Все известные риккетсии подобно
вирусам
являются
внутриклеточными
паразитами
и
не
растут
на
искусственных питательных средах. В настоящее время насчитывается более
32 видов. Риккетсии имеют трехслойную оболочку, цитоплазматическую
мембрану, риккетсиоплазму, в которой содержатся включения типа рибосом
и ядерная вакуоля. Спор они не образуют, грамотрицательны, аэробы,
некоторые виды обладают подвижностью. По химическому составу они
состоят из белков, ДНК, РНК и большого количества липидов. Размножаются
путем простого поперечного деления. Быстро погибают при температуре
50— 70 °С.
13
Риккетсии являются возбудителями ряда инфекционных заболеваний у
человека и животных, типичным представителем риккетсий является
возбудитель сыпного тифа (Rickettsia prowazeki).
Вирусы
Вирусы (от лат. virus — яд животного происхождения) — мельчайшие
организмы, которые по своей морфологии и биологическим свойствам
отличаются от других микроорганизмов. Вирусы являются строгими
эндопаразитами. Размеры вирусов очень малы: от 25 до 250 нм, поэтому они
проходят через поры фарфоровых фильтров, задерживающих все известные
бактерии (Приложение, рис. 2).
Существуют мелкие вирусы: полиомиелита, ящура, желтой лихорадки,
размер которых до 25 нм, и более крупные: вирусы оспы и осповакцины,
размеры которых приближаются к 250 нм. Самые крупные мантийные
вирусы — орнитоза, трахомы и венерической лимфогранулемы — имеют
размер до 300—350 нм. Их предложили выделить в особую группу
микроорганизмов «хламидозоа», или хламидии (по классификации Берджи
— группа 18).
Мимивирус — Acanthamoeba polyphaga mimivirus (APMV), обладая
капсидом диаметром 400 нм с многочисленными 100-нанометровыми
белковыми нитями на нем, является крупнейшим известным на сегодняшний
день вирусом. В научной литературе приведены размеры вириона от 400 нм
до 800 нм (Приложение, рис. 3).
Изучение формы вирусов и их строения возможно только в
электронном микроскопе при увеличении в 50000—300000 раз. Крупные
вирусы можно увидеть в обычном световом микроскопе при специальной
окраске и увеличении в 900—1000 раз. Форма вирусов может быть
различной:
шаровидной,
овоидной,
палочковидной,
нитевидной,
многогранной и булавовидной. Зрелые частицы вируса называют вирионами.
14
Внутри вириона находится нуклеопротеид, в котором содержится вся
ДНК или РНК, имеющаяся у вируса. Характерным признаком является то,
что вирусы содержат только одну из нуклеиновых кислот: либо ДНК, либо
РНК. Все остальные живые организмы содержат одновременно ДНК и РНК.
Нуклеопротеид вириона покрыт сверху белковой оболочкой — капсидом,
которая предохраняет его от неблагоприятных внешних воздействий и
обеспечивает вирусу адсорбцию — прикрепление к клетке. Капсид состоит
из отдельных белковых субъединиц — капсомеров. Капсомеры могут быть
уложены по спирали, как, например, у вируса гриппа — спиральный тип
симметрии,
сферический
кубический
–
у
—
вируса
у
аденовирусов
полиомиелита
и
и
кишечных
вирусов,
комбинированный
–
у
бактериофагов.
Более сложная структура у вирусов крупных и средних размеров. Они
(вирус гриппа, оспы, герпеса), помимо белковой оболочки, окружающей
нуклеопротеид, имеют и внешнюю оболочку, которая содержит белки,
полисахариды, липиды, а у вируса гриппа и других миксовирусов – и
ферменты.
Патологический процесс начинается с проникновения вируса в клетку
хозяина и прикрепления к ее ДНК (Приложение, рис. 4). Далее происходит
встраивание наследственного материала вируса (ДНК или РНК) в геном
клетки-хозяина. Вирусы размножаются только внутри клеток организмахозяина (Приложение, рис. 5).
Бактериофаги и бактериофагия
В 1915 г. Ф. Туорт заметил, что колонии стафилококка, растущие на
агаре, становились прозрачными и исчезали. Перенос части такой колонии в
нормальную приводил к ее исчезновению. В 1917 г. Д'Эррель сообщил, что
фильтраты испражнений больных дизентерией обладают способностью
просветлять бульонные культуры дизентерийных бактерий. При переносе
15
фильтратов из одной культуры в другую они повышали свою активность.
Д'Эррель объяснил наблюдавшееся им явление наличием в кишечнике
человека и животного особого фильтрующегося вируса, способного
разрушать, лизировать бактерии. Он назвал его
бактериофагом —
пожирателем бактерий (от греч. phagein — пожираю), полагая, что
бактериофаг «поедает» бактерии изнутри. Бактериофагией называют процесс
лизиса микробных клеток под влиянием специфического агента —
бактериофага.
Фаги представляют собой мельчайшие частички, или корпускулы,
состоящие из головки и хвоста (отростка), и по форме напоминают
сперматозоид. У некоторых фагов отросток очень короткий или совсем
отсутствует. Размеры фагов варьируют от 20 до 200 нм: диаметр головки
достигает обычно 60—95 нм, а отросток — 250 нм в длину и 10—25 им в
ширину. Как и вирусы, фаги имеют наружную белковую оболочку и
заключенную в головке нуклеиновую кислоту. У большинства фагов это
двухцепочечная ДНК. Однако обнаружены фаги, имеющие одноцепочечную
ДНК и даже РНК. Размеры молекулы ДНК во много раз превышают размеры
самого фага. Она спирально уложена в его головке. В таком положении ДНК
удерживает окружающий ее внутренний белок. Наиболее изучены фаги
кишечной палочки с довольно сложным строением. Они состоят из головки,
имеющей
вид
многогранника,
в
котором
капсомеры
уложены
по
кубическому типу симметрии, и отростка — полой жесткой трубки,
окруженной чехлом с капсомерами спирального типа укладки. На конце
отростка имеется базальная пластинка с отходящими от нее нитями. По
химическому составу частицы бактериофага являются нуклеопротеидами и
состоят из 50—60 % белка и 40—50 % ДНК. У некоторых фагов обнаружены
РНК, немного липидов и углеводов.
Фаги
обладают
специфичностью,
которая
заключается
в
их
способности размножаться только в бактериях определенного вида или типа
и вызывать лизис. Различают моновалентные фаги, которые лизируют
16
культуру бактерий определенного вида, и типовые фаги, лизирующие
отдельные штаммы или варианты внутри одного и того же вида.
Существуют и полифаги, которые могут вызывать лизис клеток родственных
видов
бактерий.
Свойства
специфичности
фагов
используют
при
лабораторной диагностике инфекционных заболеваний.
Устойчивость фага к внешним воздействиям достаточно велика. Он
устойчив к обычно используемым концентрациям дезинфицирующих
веществ: 1—2 % раствору фенола, 0,5 % раствору сулемы, 1,5 % раствору
лизола. Отмечено даже привыкание фага к азотной и серной кислотам. Он
выдерживает нагревание до 70—75° С. Тем не менее образование фага
задерживают цитраты и оксалаты, рентгеновы и ультрафиолетовые лучи.
Угнетающе действуют на фаг стрептомицин и полисахариды — гликоген,
крахмал. В организме фаг сохраняется 10—13 дней.
Происхождение и природа фага до сих пор остаются неясными. Живую
природу фага доказывает его способностью к размножению за счет бактериихозяина, приобретения устойчивости к воздействию внешних факторов,
способностью изменяться и давать продукцию энзимов (ферментов).
Взаимодействие фагов и бактерий
При встрече фага и чувствительных к нему бактерий наблюдается
несколько последовательных стадий, в результате которых происходит
разрушение бактерий или их лизис.
Адсорбция фага заключается в фиксации корпускул фага на
специальных фаговых рецепторах, расположенных на клеточной стенке
бактерий.
Латентный период наступает после проникновения ДНК фага в
цитоплазму бактерии. Длительность этого периода обычно зависит от
системы фаг–хозяин. Так, для кишечной палочки и ее бактериофага Т2 он
составляет 12 мин. В этот период фаг находится в скрытом латентном
17
состоянии, и если разрушить клетку, то ДНК фага обнаружить невозможно.
Период образования нового фага представляет собой очень сложный
процесс, во время которого фаговая ДНК с невероятной быстротой
«захватывает власть» в бактериальной клетке, подавляя ее синтезирующие
механизмы. ДНК фага принимает на себя генетическое управление
жизнедеятельностью бактерий, которые начинают в своих рибосомах
синтезировать белки фага и фаговые оболочки. По матрице фаговой ДНК
реплицируются, создаются ее молекулы.
Лизис клетки наступает приблизительно через 30 мин после
прикрепления фага к поверхности бактерии. Полагают, что лизис вызывается
или зависит от образования специального литического фермента, сходного с
лизоцимом. Образовавшиеся корпускулы фага освобождаются и начинается
новый цикл их развития в других бактериальных клетках. Число вирусных
частиц, образующихся в каждой инфицированной бактерии, примерно
постоянно для определенной системы фаг–бактерия: от 20 до 200 и более.
Это число называют выходом фага.
Лизогения. Фаги, вызывающие лизис бактериальных клеток, называют
вирулентными. В отличие от них существуют умеренные фаги, которые,
проникая в бактерии, не разрушают их. Умеренный фаг, проникнув в клетку,
включается в ее хромосому и размножается вместе с ней. Такие культуры
бактерий называются лизогенными, а умеренный фаг, включенный в
хромосому, — профагом.
Лизогенные бактерии сохраняют способность передавать фаг по
наследству бесконечно долгое время. При действии на лизогенные бактерии
ультрафиолетовых лучей, радиации некоторых антибиотиков, аскорбиновой
кислоты профаги из хромосомы клетки переходят в ее цитоплазму и
превращаются в вирулентные. Размножаясь, они лизируют бактерии и
выходят во внешнюю среду, где могут проникать в другие бактериальные
клетки.
Все
явления,
связанные
с
заражением
бактериальной культуры, называются лизогенией.
18
умеренным
фагом
Распространение фагов в природе
Фаги широко распространены в природе. Выделить их можно из
различных субстратов, в которых имеются микробы — хозяева фагов.
Кишечные фаги можно выделить из сточных вод, почвы, испражнений,
стафилококковые фаги — из слизи носа, зева, с кожных покровов, из
отделяемого ран. В настоящее время известны фаги почти у всех патогенных
и многих непатогенных микроорганизмов: у бактерий кишечной группы,
коринебактерий, микобактерий, стрептококков, споровых микроорганизмов,
актиномицетов. Фаги и подобные им агенты не обнаружены у простейших,
большинства дрожжей, плесневых грибов, спирохет, водорослей.
Выделение бактериофага из исследуемого материала и объектов
внешней среды производят обычно в тех случаях, когда не удается выделить
культуру микроорганизма. Для выделения фага производят посев фильтрата
исследуемого материала на плотные или жидкие питательные среды
одновременно с культурой микробов, на которых происходит размножение
искомого фага (тест-культура). О наличии фага судят по отсутствию роста
тест-культуры. Постановку опыта всегда сопровождают контрольным
посевом тест-культуры бактерий на питательные среды. В контрольной
пробирке должен наблюдаться рост микробов, т. е. помутнение среды. На
плотных питательных средах фаги обнаруживают методами Отто или
Грациа, который можно использовать также для подсчета количества
фаговых корпускул в исследуемом материале.
После выявления фага в исследуемом материале определяют его
количественное содержание, или титр фага. Титр фага можно выразить двумя
показателями: 1) количество активных корпускул фага в 1 мл исследуемого
материала; 2) величина наибольшего разведения исследуемой жидкости, при
котором фаг проявляет свое литическое действие. Эта величина выражается
отрицательным логарифмом числа 10, где степень указывает разведение
19
фага. Обычно титр фага составляет 107.
Для титрования фага предложены разные методы, среди которых
наибольшее
распространение
получили
последовательное
разведение,
титрование фага в жидкой питательной среде по методу Аппельмана и метод
двухслойных агаров, разработанный Грациа.
Спирохеты
Это
группа
одноклеточных,
нитевидных,
спирально
извитых
микроорганизмов размером от 7 до 500 мкм в длину и от 0,3 до 1,5 мкм в
поперечнике. Тело спирохет состоит из осевой нити, вокруг которой
спирально извита цитоплазма, и покрыто тонким цитоплазматическим слоем
— перипластом. Спирохеты не имеют оформленного ядра, цитоплазма у них
гомогенна, клеточная стенка отсутствует. Размножаются поперечным
делением, спор не образуют. У некоторых видов на конце тела спирохеты
располагается пучок жгутиков. Отдельные виды болезнетворны для человека
и животных (возбудители сифилиса и лептоспироза). По строению эта группа
микроорганизмов занимает промежуточное положение между бактериями и
простейшими.
Простейшие (Protozoa)
К простейшим животным относятся микроскопические одноклеточные
животные, более высоко организованные по сравнению с бактериями. Они
весьма разнообразны по величине, форме и структуре. У одних видов
простейших оболочка хорошо обособленная, прочная, играет защитную роль,
у других она гибкая, тонкая; является полупроницаемой мембраной, а у
некоторые видов оболочка отсутствует, и их называют голыми (амеба). Все
простейшие обладают способностью передвигаться при помощи жгутиков,
ресничек и псевдоподий.
20
Цитоплазма простейших представляет собой коллоидную массу,
состоящую из двух слоев: наружного более плотного, называемого
эктоплазмой, и внутреннего — эндоплазмы. В цитоплазме обнаруживаются
вакуоли и различные включения (волютин, гликоген, крахмал и др.).
У большинства простейших имеется одно ясно обособленное от
цитоплазмы ядро, однако встречаются особи, которые имеют два или
несколько
ядер
шаровидной,
овальной
или
неправильной
формы.
Размножаются простейшие делением, а также половым путем. Эти
микроскопические существа в почве представлены тремя основными
группами:
1. Корненожки (Rhizopoda). Типичный представитель — амеба,
передвигающаяся с помощью псевдоподий. Размеры ее 10—40 мкм.
2. Жгутиковые
(Flagelata).
Движение
у них осуществляется с
помощью одного или нескольких жгу тиков. Размеры 5—20 мкм.
3. Реснитчатые (Ciliata). Передвигаются при помощи ресничек.
Питание у них происходит через ротовое отверстие. Имеется и выходное
отверстие. Размеры 20—80 мкм.
При благоприятных условиях простейшие ускоряют минерализацию
органических остатков в почве и воде.
Актиномицеты (Actinomycetes)
Актиномицеты, или лучистые грибы (от греч. муkе — гриб, actis —
луч), занимают промежуточное положение между бактериями и плесневыми
грибами. Это одноклеточные микроорганизмы, представляющие собой
тонкие ветвящиеся нити — гифы, 0,5—1,2 мкм в поперечнике и различной
длины. Большинство их окрашивается по Граму положительно. Гифы имеют
оболочку, цитоплазму со значительным количеством включений и ядерный
аппарат.
Некоторые виды актиномицетов не образуют гиф, клетки их могут
21
быть палочковидной формы, чаще всего искривлены с небольшими
боковыми выростами, напоминающими ветви (род Micobacterium).
Размножение происходит путем распада мицелия на фрагменты —
оидии, которые при благоприятных условиях могут дать начало новому
мицелию, а также спорами. Споры формируются на ветках воздушного
мицелия (спороносцах). Они легко отделяются от мицелия и, попадая на
питательный субстрат, быстро прорастают. Отдельные виды актиномицетов
используют
для
приготовления
антибиотиков
(стрептомицин,
хлортетрациклин и др.).
Таким образом, по строению клетки, по отношению к краскам и
питательным средам актиномицеты сходны с бактериями, а по характеру
размножения и прорастания — с низшими грибами.
Актиномицеты широко распространены в различных почвах, в воде,
навозе
и
других
субстратах.
Им
принадлежит
большая
роль
в
почвообразовании: они усиливают разложение органических веществ в почве
и участвуют в создании гумуса. Многие виды актиномицетов образуют
пигменты — красный, черный, бурый и др., роль которых пока неизвестна.
Почвенные актиномицеты преимущественно аэробы (но бывают и
факультативные
анаэробы.
Оптимальная
температура
для
развития
актиномицетов 23—37 °С. Они легко переносят высушивание, могут сохраняться в сухой почве более десяти лет. Наиболее подходящие для них
почвы с рН 6,8—8,0. Численность их в почвах по отношению к общей
микрофлоре зависит от сезона года. Так, весной они составляют 20 %,
осенью — 80 и зимой— 13 %. По мере углубления в почву количество
актиномицетов уменьшается.
Грибы (Fungi)
Грибы
организмов,
—
обширная
лишенных
и
разнообразная
хлорофилла.
22
группа
Гетеротрофный
гетеротрофных
тип
питания
обусловливает их активное участие в разложении растительных и животных
остатков, благодаря чему они играют важную роль в образовании
органических и гумусных веществ в почве. Широкое распространение грибов
в почве и значительная активность объясняются большой устойчивостью их
к факторам внешней среды. Многие грибы хорошо развиваются в условиях
высокой кислотности (рН 4—3), при которой задерживается или полностью
прекращается активная жизнедеятельность большинства бактерий.
Грибы, как правило, аэробы, поэтому развиваются обычно на
поверхности субстрата. Они устойчивы к высыханию, но для развития
предпочитают влажную среду. Тело большинства грибов состоит из гиф,
сплетающихся в мицелий. Грибы, у которых гифы разделены перегородками
на клетки (септированы), называются многоклеточными, если же гифы не
имеют перегородок (не септированы), — одноклеточными. Строение клеток
грибов мало чем отличается от строения других микроорганизмов. Клетки
состоят из клеточной оболочки, цитоплазмы и одного, двух или нескольких
ядер. Цитоплазма содержит вакуоли и различные включения.
Некоторые виды грибов размножаются вегетативно, когда отрезок
мицелия с одной или большим количеством клеток, попадая на питательный
субстрат, разрастается и дает начало новой грибнице или образует оидии,
после чего гифы мицелия распадаются на отдельные клетки. Такую же
функцию выполняет и почкующийся мицелий у дрожжевых грибов. Однако
наиболее характерным способом размножения у грибов является образование
особых спор (конидии, спорангиеспоры, зооспоры).
Грибы могут размножаться и половым путем. В этом случае после
слияния двух внешне одинаковых клеток появляется новая клетка, которая
разрастается, покрываясь толстой многослойной оболочкой, и превращается
в спору, называемую зигоспорой. При слиянии двух морфологически
различных (мужской и женской) клеток образуется спора, называемая
зооспорой.
На основании филогенетических отношений внутри группы грибов,
23
способов размножения, морфологических и физиологических признаков
грибы разбиваются на классы, подклассы, семейства, роды и виды. По
характеру размножения грибы подразделяются на несколько основных
классов: класс Хитридиомицеты (Chytridiomycetes), класс Оомицеты
(Oomycetes),
класс
Зигомицеты
(Zigomycetes),
класс
Аскомицеты
(Ascomycetes) (Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoids, S. pasteurianum,
Torulopsis utilis, Aspergillus niger, T. kefir, представители рода Penicillium),
класс
Базидиомицеты
(Basidiomycetes)
(Merulius
lacrymans),
класс
Несовершенные грибы (Fungi imperfecti) (Fusarium sambucinum, Botritis
cenerea).
Водоросли (Algae)
Это обширная группа микроскопических растений, содержащих
хлорофилл. Они распространены в воде, во влажных почвах и принимают
активное
участие
характеризуются
в
почвообразовательных
микроскопическими
процессах.
размерами,
состоят
Водоросли
из
одной,
нескольких или многих клеток. Некоторые водоросли имеют жгутики.
Клетка водорослей покрыта оболочкой, имеется цитоплазма, одно или
много ядер (у сине-зеленых водорослей дифференцированного ядра нет),
вакуоли и хроматофоры — органы фотосинтеза, у водорослей отмечены три
способа размножения: вегетативное, бесполое и половое.
Все водоросли в зависимости от цвета пигмента можно подразделить
на три группы: зеленые, сине-зеленые и диатомовые.
Зеленые водоросли (Chlorophyceae) окрашены в ярко-зеленый цвет
благодаря преобладанию внутри клеток хлорофилла. Из них в почве
наиболее
часто
(Chlamydomonas)
встречаются
—
следующие
одноклеточный
организм
виды:
с
хламидомонада
двумя
жгутиками,
расположенными на переднем конце клетки, особенно обильно развивается
весной на влажной глинистой почве; хлорококковые (Chlorococcum) —
24
изолированные или образующие скопления клетки, окруженные слизистой
муфтой; размер 3—50 мкм.
Сине-зеленые водоросли (Cyanophyceae) в некоторых отношениях
напоминают бактерии, но значительно крупнее их. Обычно в. сине-зеленых
водорослях содержатся три пигмента: зеленый пигмент — хлорофилл,
голубой — фикоцианин и красный пигмент — фикозригрин. В качестве
представителей этой группы можно назвать носток (Nostoc), осцилляторию
(Oscillatoria), хроококкум (Chroococcum).
Диатомовые водоросли (Diatomeae) имеют золотисто-коричневую или
оливково-зеленую окраску благодаря обилию бурых пигментов (диатомин),
сопровождающих хлорофилл. Цитоплазма у них заключена в клеточную
оболочку,
пропитанную
кремнием.
Наиболее
широко
встречается
одноклеточная водоросль пиннулярия зеленая (Pinnularia viridis). Водоросли
первых двух групп более многочисленны, и в благоприятных условиях
количество их клеток может достигать 100 тыс. в 1 г почвы. Установлено,
что, развиваясь в почве, водоросли увеличивают содержание в ней
органического вещества.
Известно, что некоторые виды сине-зеленых водорослей способны
фиксировать атмосферный азот и превращать его в органические соединения,
входящие в состав их цитоплазмы. Особенно важную роль водоросли играют
в поддержании плодородия почвы рисовых полей. Здесь они пополняют
запас кислорода, снижают интенсивность вредных восстановительных
процессов, а отдельные виды фиксируют за вегетационный период до 15—20
кг азота на 1 га.
3 ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В РАЗНЫХ СРЕДАХ ЖИЗНИ
Экология микроорганизмов — наука о взаимоотношениях микробов
друг с другом и с окружающей средой.
В медицинской микробиологии объектом изучения служит комплекс
25
взаимоотношений микроорганизмов с человеком. В сельскохозяйственной
микробиологии объект исследований – взаимосвязи микроорганизмов с
сельскохозяйственными растениями и животными.
В природе микроорганизмы заселяют все четыре среды жизни
(почвенную, водную, наземно-воздушную, тела живых организмов) и
распространены гораздо шире, чем многие другие живые существа. Как
писал
известный
отечественный
микробиолог
В.
Л.
Омелянский:
«...Мириады микробов населяют стихии и окружают нас. Незримо они
сопутствуют человеку на всем его жизненном пути, властно вторгаясь в его
жизнь, то в качестве врагов, то как друзья». Естественные среды обитания
большей части микроорганизмов — вода, почва и воздух. Число
микроорганизмов, обитающих на растениях и в организмах животных,
значительно меньше. Широкое распространение микроорганизмов связано с
легкостью их распространения по воздуху и воде. Поверхность и дно
пресноводных и соленых водоемов, а также несколько сантиметров верхнего
слоя почвы изобилуют микроорганизмами, разрушающими органические
вещества и являющимися таким образом редуцентами в данных экосистемах.
Меньшее
количество
микроорганизмов
колонизирует
поверхность
и
некоторые внутренние полости животных (например, желудочно-кишечный
тракт, верхние отделы дыхательных путей) и растений.
Биотическая среда жизни микробов. Одной из природных сред
обитания микробов является биотическая среда – организмы высших
животных и человека. Прежде всего, микробы заселяют кожные покровы,
составляя нормальную микрофлору кожи. Кишечник человека также заселен
микроорганизмами, не вызывающими заболеваний. Особенно благотворную
роль играют молочнокислые бактерии. Мирные взаимоотношения часто
нарушаются. Неопасный для человека и животных эпибионт (проживающий
на поверхности другого организма) проникает в ткани (через раны,
царапины), вызывая нагноения. Это свойственно многим неспороносным
бактериям, в том числе псевдомонадам.
26
Совершенно иным субстратом оказывается больной организм человека
и животных. Некоторые или многие защитные механизмы и барьеры
нарушены, и ослабленный организм становится подобием питательной
среды, где развиваются патогенные микробы. Патогенные бактерии
поражают ткани и органы животных и человека. В кровяном русле
развиваются
пастереллы
—
возбудители
чумы.
Холера
вызывается
вибрионом, поселяющимся в кишечнике. Туда же попадают и развиваются
сальмонеллы, приводящие к развитию тяжелых заболеваний типа брюшного
тифа. Эпидемический цереброспинальный менингит, опасный своими
осложнениями, вызывается мелкими кокками из рода
Neisseria —
организмами в высшей степени адаптированными к паразитическому образу
жизни. Многие кокки являются возбудителями пневмонии, вызывают
повреждение клапанов сердца. Дифтерия (коринебактерии), туберкулез и
проказа (микобактерии) и многие другие болезни вызваны развитием
микроба-возбудителя в среде его обитания — в клетках, тканях и органах
человеческого и животного (многие теплокровные животные болеют
сходными болезнями) организмов. Тяжелейшие болезни
вызываются
спорообразующими бактериями, среди них газовая гангрена (Clostridium
perfringens), столбняк (С. tetani), сибирская язва (Bacillus anthracis)
(Приложение, рис. 6).
Барьерами,
препятствующими
колонизации
тканей
высших
организмов, оказываются разные вещества и структуры:
— кожа защищается от поселения микробов жирными кислотами;
— слизистая оболочка носа и глаз — лизоцимом (ферментом,
разрушающим клеточные стенки бактерий);
— кровь — фагоцитами и антителами;
— ткани рыб — протаминами;
— корни растений — корковым слоем;
— фрукты — кутикулой и кислотами;
— деревья — смолами, таннином;
27
— ткани растений — фенольными соединениями, гликозидами.
К такой ситуации оказывается приспособленным и микробный мир.
Микробы поселяются в организмах промежуточных хозяев. Часто хозяевами
являются многие насекомые, нематоды, позвоночные животные (особенно
опасны грызуны), птицы и даже человек (бацилло- и вирусоносители,
оставаясь здоровыми, опасны для окружающих). Промежуточные хозяева
составляют резервуар (очаг) заболеваний, из которого часто развиваются
эпидемии. Например, промежуточными хозяевами, составляющими очаг
сибирской язвы, являются свиньи, овцы, крупный рогатый скот. Резервуары
чумы связаны с грызунами.
Переносчиками микробов — возбудителей болезней наиболее часто
бывают
членистоногие
(клещи,
вши,
блохи).
Сходные
заболевания
(например, лептоспирозы) передаются через разных хозяев (крысы, собаки,
лошади). Есть и другие пути передачи инфекции: ветром и насекомыми на
сотни километров, при акклиматизации животных в новых районах и т. п.
То, что характерно для человека и животных, свойственно и растениям.
Здесь также имеются мирные сожители — эпифиты — обитатели
поверхности
организмов.
Болезнетворные
микробы
(фитопатогенные)
вызывают заболевания растений, часто массовые (подобие эпидемий).
Исключительный случай взаимоотношения микробов с другими
организмами представляют собой многочисленные примеры симбиоза
микроорганизмов и высших организмов, стоящих на разных уровнях
организации. Иногда трудно определить, является ли высший организм
субстратом и микробы размножаются в нем, либо, наоборот, высшие
организмы паразитируют на микробах. Так, например, клубеньковые
бактерии образуют на корнях (чаще бобовых) растений наросты, заселенные
бактериями (растение — среда для бактерий). С течением времени бактерии
разрушаются в клубеньках и растение использует вещества, запасенные
микробами (паразитизм растения на бактериях). Подобных примеров можно
привести много. В пищеварительном тракте насекомых (лучше изучены
28
муравьи и термиты) имеется свой неповторимый ценоз (ассоциация
микробных видов), так как эта крошечная «лаборатория» обеспечивает
существование замкнутого микробного мирка в специфических условиях.
Нормальное развитие некоторых высших организмов невозможно без
содружества с микробами. Известно, что жучки-точильщики (разрушают
мебель, древесину) способны питаться древесиной, благодаря тому, что
целлюлоза перерабатывается в кишечнике их сожителями — бактериями.
Питание жвачных животных теснейшим образом связано с активной
деятельностью сообщества строгих анаэробов — бактерий в рубце (отделе
желудка), где они участвуют в переработке растительных кормов. Клещи,
питающиеся кровью высших животных, имеют в своем теле специальный
орган,
переполненный
симбиотическими
бактериями,
призванными
переваривать кровь. Подобными органами обладают все сосущие соки
растений насекомые (цикадки). Они имеют в своем теле до пяти разных
симбиотических микробов. Удаление симбиотических бактерий может
привести к гибели высший организм, так как нарушается обеспечение
разными источниками пищи. Так, например, обыкновенный желтый таракан
имеет
симбиотические
дрожжи,
которые
помогают
ему
усваивать
минеральную серу. Как правило, симбиоз основывается на различиях в
обмене веществ обоих компонентов.
Абиогенные субстраты. Главными средами обитания и резервуарами
микроорганизмов в природе являются почвы и водная среда: придонные и
прибрежные илы водоемов, вода рек, озер и океанов.
Водная среда жизни микробов. Наименьшая плотность заселения
микробами характерна для океанических вод. Сюда со стоком рек постоянно
вливаются струи, обогащенные микробами и органическим веществом,
которые
переносятся
и
распыляются
течениями.
Мировой
океан,
занимающий большую часть поверхности планеты, является собирателем и
хранителем огромной микробной биомассы. Океанская толща воды играет
роль скорее транспортного субстрата, места переживания, чем места
29
активной деятельности микробов. Примером типичного транспортного
субстрата может быть воздух. В СССР большие работы в области морской
микробиологии проведены А. Е. Криссом.
Вода мелких пресных водоемов (озер) имеет слоистую структуру. Для
озер характерны сезонные и периодические процессы. Большое значение для
формирования микробных ассоциаций имеют придонные иловые отложения.
В то же время прибрежные зоны сходны с почвой. Содержание
микроорганизмов в воде пресных водоемов ниже, чем в почвах и илах, но
достаточно высоко (1,4 млн. клеток в 1 см3 воды и более). При анализе
качественного
основных
состава
микрофлоры
физиологических
групп
обнаружены
представители
микроорганизмов,
всех
обеспечивающих
круговорот азота, углерода, фосфора и других элементов. В озерной воде
отмечается четкое вертикальное распределение бактерий. Максимальное
количество бактерий отмечается в летний период, причем в некоторых озерах
на значительной глубине (10 м, где было наибольшее количество отмерших
водорослей.
Резко
отличную
картину,
характеризующуюся
более
высокой
стабильностью, можно наблюдать в донных иловых отложениях. Главный
отличительный их признак — микрослоистость сложения. Это явление
связано с тем, что в результате сезонных процессов распределение
микроорганизмов происходит неравномерно. Формирование ила при участии
микробов идет в тончайших слоях, измеряемых долями миллиметра. В
толще, равной всего 1–2 м, можно обнаружить 6–8 слоев, различающихся
составом микрофлоры и физико-химическими условиями. Среди микробного
населения
илов
преимущественное
развитие
имеют
гетеротрофные
организмы, аккумулирующие железо и марганец (микоплазмы, стебельковые
и почкующиеся бактерии). Ценнейшие исследования по микрофлоре воды и
илов проведены в нашей стране широко известными учеными Б. В.
Перфильевым и С. Н. Кузнецовым.
Микрофлора горных пород. Субстратами, резко отличными от илов,
30
где слои обитания микробов по крупицам «лепятся» осадками из толщи
воды, являются горные породы, частично выветренные (рухляки), породы из
шахт, выброшенные при добыче руд, сами стенки штолен и естественные
разломы земной коры. Все это — своеобразная среда обитания микрофлоры,
арена деятельности преимущественно хемотрофных и миксотрофных
бактерий, добывающих энергию при окислении неорганических веществ
(соединений железа, марганца, серы). Содержание сапрофитных бактерий в
горных породах невелико, около 2–3 тыс. клеток в 1 г субстрата. В
нефтеносных породах даже на глубине 500 и 700 м насчитывается 30–100
млн. клеток в 1 г породы. Глубинные воды практически лишены
микроорганизмов (3–300 клеток).
Микрофлора
минералов.
Нефть
и
углеводороды
успешно
осваиваются микроорганизмами. Именно с этими процессами связаны
надежды (и уже реальные успехи) современного человечества на получение
промышленным путем микробной массы (белка) из нефтяных продуктов для
использования в качестве корма и пищи.
Микробы способны окислять сульфидные руды, выщелачивая серу и
повышая содержание металла в них (в первую очередь цветных и редких
металлов). Эти процессы лежат в основе активно развивающейся отрасли
промышленности — гидрометаллургии, осваивающей с помощью микробов
бедные и трудноперерабатываемые руды.
Почвенная среда жизни микробов. Особое место среди природных
сред
обитания
гетерогенный
микромозаичное
микроорганизмов
(разнородный)
строение.
занимает
по
почва.
структуре
Почва
представляет
Это
чрезвычайно
субстрат,
собой
имеющий
совокупность
множества очень мелких (от долей миллиметра до 3–5 мм) агрегатов
(шероховатых гранул, иногда объединенных в группы), пронизанных
порами, омываемых почвенным раствором, протекающим по капиллярам
(рис. 2).
31
1
2
Рис. 2. Микроструктура почвы. Видны гранулы и очаги. Фото в световом микроскопе: 1 —
увеличение ×20; 2 — увеличение ×60.
Остатки растений и животных, гумусовые вещества — органический
элемент почвы — распределены в ней не равномерно, а сосредоточены в
отдельных микроочагах, часто устилая пленкой почвенные гранулы, создавая
зоны, где протекает бурная, но непродолжительная деятельность микробных
сообществ, заселяющих эти участки (рис. 3).
Рис. 3. Микроструктура микробных очагов (фото в сканирующем электронном
микроскопе), увеличение ×1600.
На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются
небольшими микроколониями (по 20–100 клеток в каждой). Часто они
развиваются в толще сгустков органического вещества, на живых и
отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.
Природные
микроколонии
микробов
представляют
собой
размножающиеся в естественной среде популяции, т.е. совокупности
родственных между собой особей (клеток) одного вида, расположенных на
32
ограниченном участке природного субстрата. Их развитие начинается с
формирования
небольших
групп
клеток.
Эти
агрегаты
клеток
(преимущественно бактерий) не бывают хаотическими. Часто они соединены
в розетки, спирали и иные организованные группы, образуя первичные
микроколонии. Со временем эти первичные микроколонии, расположенные
рядом либо разрастающиеся и образующие новые микроскопления, приводят
к образованию популяционных колоний, заселяющих в отдельных местах
почвенные гранулы (рис. 4).
I
II
III
IV
Рис. 4. Схема структуры простейшего микробного ценоза: I — простейшая микроколония
(микроагрегат 5–10 мкм); II — популяционная микроколония бактерий (30–50 мкм); III —
гранула почвы, заселенная популяционными колониями (300–500 мкм); IV — микроочаг
(общий диаметр 0,5–5 мм): 1 — капилляр, заполненный почвенным раствором; 2 —
пленка гумусового вещества; 3 — растительный материал; 4 — популяционные колонии
микробов; 5 — почвенная минеральная гранула; 6 — пора.
Диаметр гранул составляет 300–500 мкм. Совокупность гранул
образует сложную микроструктуру, состоящую из пор и капилляров,
заполненных газами (состав их может быть разным) и почвенным раствором.
Такой агрегат является простейшим природным очагом обитания микробов
— своеобразной «микропланеткой». Диаметры подобных «планеток» 3–5 мм
и более. Если в очаге находится источник энергии (доступное для микробов
33
органическое вещество), то такая совокупность (система) может служить
примером простейшей микробной ценотической ячейки — устойчивого в
течение определенного времени сообщества микроорганизмов. Главным
моментом является присутствие энергетического очага, что создает начало
трофической цепи и служит своеобразным «мотором» для деятельности всего
сообщества.
В микроучастке, где находится органический материал (концентрат
энергии), поселяются микробы, требующие для своего развития высокой
концентрации
органического
минерализующие
его.
Они
вещества,
являются
быстро
размножающиеся
характерными
и
представителями
экологической группы макрофитов — требовательных к пище сапрофитов.
Сюда относятся грибы, многие спорообразующие и неспорообразующие
бактерии и актиномицеты.
После исчерпания источников пищи деятельность этой группы
гетеротрофов в очаге замирает и микробы переходят в состояние
длительного покоя, близкого к анабиозу, вплоть до нового притока энергии и
новой бурной вспышки их активности. Значительная часть биомассы бурно
развившихся популяций микроорганизмов лизируется. Арена активной
жизни — гранулы почвы — оказываются усеянными спорами, цистами и
другими переживающими формами.
В период высокой активности от очага, обогащенного органическим
материалом, в окружающие микроучастки диффундируют растворимые
органические вещества (в том числе микробные метаболиты). Это ведет к
возникновению зоны, содержащей небольшие (часто следовые) количества
легко мобилизуемых источников энергии. В этой сфере развивается
микрофлора, растущая при низком содержании пищи в среде. Эти организмы
представляют другую экологическую группу микрофитов — сапрофитных
микробов, растущих при минимальных концентрациях органических веществ
в
почве
и
экономно
использующих
их.
Сюда
относятся
многие
неспорообразующие бактерии, в том числе стебельковые и почкующиеся
34
бактерии, часто известные под названием олиготрофов (организмов с
умеренными потребностями в пище). На богатых (лабораторных) средах они
не растут и часто даже погибают.
При новом поступлении органического вещества в очаг тормозится
развитие олиготрофных бактерий и нередко следует за этим лизис клеток.
Часто
популяции
выживают.
Завоеванная
олиготрофами
территория
утрачивается ими. В обогащенном источниками пищи очаге вновь активно
размножаются требующие высокого уровня питания сапрофиты. Так
возникают микропульсации активности микроорганизмов и совершается
длящаяся миллионы лет смена микробных ценозов. Исследование этих
явлений
наряду
со
многими
другими
—
скоростью
размножения
микроорганизмов, временем индивидуальной жизни и циклами развития в
природных условиях — представляют собой важнейшие объекты изучения
современной экологии микроорганизмов.
Исследования последних лет, проведенные с применением прямых
методов учета микроорганизмов в световом и электронном микроскопах,
позволили уточнить количество микроорганизмов в почвах и рассчитать их
биомассу. Как оказалось, в 1 см3 сравнительно небогатой дерновоподзолистой почвы может содержаться до 20 млрд. клеток. Это составляет
около 1 % от веса самой почвы. В 30-сантиметровом слое на площади 1 га в
почвах разных типов содержится от 1,5–2 до 15–40 т биомассы. Живой
массой микробов с площади 1 га можно загрузить целую колонну
большегрузных автомашин.
По современным данным, биомасса всех обитающих на суше нашей
планеты живых существ составляет от 10–12 до 10–13 т (поверхность суши
равна 51109 га), в том числе: суммарная биомасса животных организмов
(сухой остаток) — 0,55×109 т; суммарная биомасса растений (сухой остаток)
— 55×109 т; суммарная биомасса микроорганизмов (сухой остаток):
тундровые и пустынные почвы —3,06×109 т;
а)
б) другие почвы — 71,4×109
т; биомасса простейших животных и почвенных водорослей (сухой остаток)
35
— 1,5×109 т.
Суммарная биомасса животных и высших растений, обитающих на
суше, составляет около 56×109 т. В то же время суммарная биомасса
микроорганизмов, простейших и водорослей равна 76×109 т. Несмотря на
ориентировочность таких расчетов, все же становится очевидным, что
биомасса существ, составляющих мир микробов, равна биомассе всех
остальных обитателей суши и, возможно, превышает ее.
Сообщества любых организмов, в том числе микроорганизмов,
представляют собой не случайные скопления, а организованные объединения
популяций, обладающих коллективными функциями и взаимодействием.
Такие объединения обладают большой стабильностью, и многие воздействия
на среду обитания (вспашка почв, внесение удобрений и др.) не разрушают
типичных для данного субстрата ценозов. Сообщества и популяции, их
составляющие, обладают рядом особенностей: плотностью (количество
особей на единице пространства), адаптивностью (способностью осваивать
новые субстраты за счет фонда дремлющих форм, физиологической
адаптации активной микрофлоры и др.). Популяции (не только особи!)
обладают возрастом, стареют.
Микробные ценозы могут быть неполноценными по составу — не
содержать некоторых специализированных групп микробов. Важным
свойством микробных ассоциаций является их способность к авторегуляции
состава и деятельности.
К числу регуляторных механизмов микробных ассоциаций относится
характер взаимоотношений между микробными популяциями. Он бывает
различным и сложным.
Широко
распространены
в
природе
антагонистические
взаимоотношения и подавление продуцентами антибиотиков (в первую
очередь грибами и актиномицетами) других организмов и изменение
кислотности
среды
в
зонах
обитания
органического вещества.
36
организма
при
разложении
Антагонизм
может
быть
и
более
драматическим.
Хищники
(простейшие) выедают бактерии и водоросли в значительных количествах.
Взаимосвязь между хищниками и жертвами оказывается очень прочной: при
падении числа особей жертв отмирает часть популяции хищника и, как
следствие, возрастает численность клеток жертв, а затем и хищника.
Устанавливается своеобразный пульсирующий характер взаимодействия.
Другим примером антагонистических взаимоотношений является
паразитизм. В роли паразитов выступают внутриклеточные паразитические
бактерии из рода Bdellovibrio и вирусы бактерий — бактериофаги.
Известны многочисленные примеры паразитирования бактерий на
мицелии грибов, хищных грибов, активно захватывающих и лизирующих
мелких почвенных червей (нематод).
Особым
случаем
взаимодействия
микроорганизмов
—
крайнее
проявление симбиоза — являются лишайники. Они представляют собой
ассоциацию из водорослей и грибов. Часто им сопутствуют бактерии. Эти
ассоциации очень устойчивы, рассматриваются в специальном разделе, но,
по сути дела, являются микробными.
Сложный характер взаимодействия двух и тем более многих
компонентов ассоциаций оказывает большое влияние на микробные ценозы,
особенно при усилении влияния отдельных групп и последующей смены
доминирующих организмов.
Другим источником воздействий на микрофлору почв является сам
субстрат. Хорошо известны явления токсичности почв за счет кислой
реакции, наличия токсических соединений алюминия и др. Ученые
исследуют также явление микробостазиса — свойства почвы задерживать
рост и развитие обитающих в ней микробов. Механизмы этих процессов не
изучены, но, по-видимому, связаны со специфическим влиянием продуктов
жизнедеятельности микроорганизмов и веществ, попадающих в почву при
отмирании и лизисе клеток. Почва как своеобразное «живое тело»
сопротивляется избыточному развитию микроорганизмов, поддерживая их в
37
дремлющем (латентном) состоянии и «разрешая» вспышки фаворитных
групп, обеспеченных в краткие промежутки времени, пищей и энергией.
Ризосферная микрофлора. Высшие растения, являясь основным
источником питательных веществ для преобладающего числа микробного
населения почв — гетеротрофов — оказывают существенное влияние на
микробные ценозы.
Зоны, непосредственно примыкающие к корням живых растений,
являются областями активного развития микроорганизмов. Это связано
прежде всего с выделениями из корней (экзосмосом) органических веществ,
синтезированных растениями.
Совокупность микроорганизмов, содержащихся в большом количестве
в узкой зоне вокруг корней, называют ризосферной микрофлорой, а саму зону
— ризосферой. Кроме того, существует представление о ризоплане —
непосредственной поверхности корня, заселенной микробами. Ясно, что
метаболизм (обмен веществ) корней оказывает большое влияние на
почвенную среду, прилегающую к корням. Считают, например, что корни
увеличивают кислотность примыкающих к ним микрослоев почвы за счет
выделения углекислоты и H+ ионов. Такие изменения возможны в пределах
нескольких миллиметров вокруг корня. Важным источником стимуляции
почвенного микронаселения является выделение корнями питательных
веществ. Патогенные и симбиотические микроорганизмы привязаны к ним
либо способны растворять стенку клеток корня и проникать внутрь
цитоплазмы. Экзосмос органических веществ из корней растений обусловлен
активными процессами, пассивной диффузией или выделениями из
отмирающих клеток.
Молодые корешки обычно покрыты слизистыми чехликами, обильно
заселенными микробами.
В продуктах экзосмоса корней обнаружено большое количество
различных веществ, в том числе 10 разных сахаров, 23 аминокислоты, 10
витаминов, полисахаридные слизи, органические кислоты и др. Характер
38
выделений зависит от вида и возраста растений. К сожалению, еще нет
достаточных сведений о процессах корневого экзосмоса и использования
веществ микроорганизмами в условиях природной нестерильной среды.
Сфера воздействия корней на микрофлору в почве определяется лишь
приблизительно по увеличению числа микробов по мере приближения к
поверхности корня. Большинство трупп микроорганизмов обнаруживается в
большем числе в ризосфере (Р), чем в окружающей почве (П), что можно
выразить отношением: Р/П (Приложение, табл. 1).
Не все бактерии одинаково реагируют на стимулирующее действие
корней. Так, грамотрицательные бактерии явно лучше развиваются в
ризосфере,
чем
грамположительные
неспорообразующие
бактерии.
Способность бактерий заселять зону корня связана не только с выделяемым
веществом, но и с отношением к физическим факторам, антагонизму. Многие
исследователи обнаружили, что бактерии, способные разлагать целлюлозу,
растворять фосфаты, использовать белки и сахара, синтезировать витамины и
бактериальные
ризосферы.
полисахариды,
Удается
также
—
являются
отметить
типичными
некоторую
обитателями
корреляцию
между
таксономическими и физиологическими группами бактерий в ризосфере.
Так, например, виды Pseudomonas доминируют в ризосфере, а виды
Arthrobacter — в окружающей почве. Представители обоих родов заметно
различаются по потребностям в ростовых факторах.
На ризосферную микрофлору влияют вид, возраст растений и их
состояние, положение и характер распределения корней, тип почвы и
окружение. Корни растений стимулируют или угнетают микробов в разной
степени. Бобовые растения чаще всего стимулируют развитие микробов. В
ризосфере
клеверов,
например,
обнаруживается
значительно
больше
микроорганизмов, чем в зоне корней злаков и деревьев. Корневые выделения
растений в случае длительного выращивания одних и тех же культур
растений (монокультур) на одних и тех же площадях приводят к так
называемому «почвенному утомлению». Такая обстановка в сочетании с
39
монотонным по составу растительным опадом вызывает селекцию отдельных
групп и даже видов микроорганизмов и их чрезмерное развитие в почвах.
Следствием этого являются стойкие заболевания растений (при развитии
патогенных для растений микробов), уносящие урожай. В пределах
поверхности одного корешка микрофлора оказывается разной и обилие
микроорганизмов нарастает к кончикам корней, где, например, отмечен
наибольший экзосмос аминокислот.
Ризосферный эффект увеличивается после прорастания семени и
достигает максимума в период цветения и плодоношения растений. Таким
образом, возраст и старение растений играет большую роль в формировании
и деятельности ризосферной микрофлоры (Приложение, табл. 2).
Степень освещенности и температура воздуха также влияют на
корневые выделения и, следовательно, на микроорганизмы.
Ризосферный эффект более ярко выражен в песчаных почвах и менее
— в гумусных. В пустынных районах ризосфера является, по-видимому,
единственной зоной, где активно развивается микрофлора. В любой почве
изменения окружающей среды, включая агротехнические мероприятия,
оказывают меньшее воздействие на микроорганизмы в ризосфере по
сравнению с обитателями почвы. Ризосферная зона представляет собой
своеобразную «буферную» систему, препятствующую воздействию среды на
микрофлору.
Колонизация почвы микроорганизмами ограниченно возможна, если не
лимитируется следующими экологическими условиями:
— наличием пригодного места в данный момент (в реальных
микрозонах обитания микроорганизмов, а не собственно в почве);
—
присутствием
в
достаточном
количестве
субстрата,
обеспечивающего длительное развитие данного организма;
— способностью использовать многие источники энергии и пищи в
экосистеме, и причем более эффективно, чем аборигенная микрофлора;
— высокой толерантностью (выносливостью) попадающего организма
40
к
микроэкологическим
осмотическому
факторам
давлению,
(колебаниям
содержанию
рН
и
кислорода,
температуры,
окислительно-
восстановительному потенциалу, влажности и др.);
— наличием механизмов активного воздействия на другие организмы;
—
образованием
способностью
к
физиологически
антагонизму
и
активных
метаболитов,
устойчивостью
к
продуктам
жизнедеятельности других организмов.
Микрофлора воздуха. Воздух — среда, не поддерживающая
размножение микроорганизмов; это определяется отсутствием питательных
веществ и недостатком влаги. Кроме того, в воздухе более выражено
микробицидное действие солнечных лучей УФ-спектра.
Жизнеспособность
микроорганизмов
в
воздухе
обеспечивают
взвешенные частицы воды, слизи, пыли и фрагментов почвы. Бактериальная
обсемененность жилых помещений всегда выше, чем атмосферного воздуха.
Микрофлору воздуха условно разделяют на резидентную (постоянно
обнаруживаемую) и временную (обнаруживают спорадически). Наибольшее
количество микробов содержится в околоземных слоях атмосферы. По мере
удаления от земной поверхности воздух становится чище.
Постоянная
микрофлора
атмосферного
воздуха
формируется
почвенными микроорганизмами. Более или менее регулярно в ее состав
входят следующие представители: Micrococcus roseus, M. flavus, M. candicam,
Sarcina lava, S. alba, S. rosea, Bacillus subtills, B. mycoides, B. mesenterieus,
виды Actinomyces, грибы родов Penicillium, Aspergillus, Mucor и др.
Временная микрофлора атмосферного воздуха также формируется за
счет микроорганизмов почвы и видов, поступающих с поверхности
водоемов.
Находящиеся
в
атмосферном
воздухе
микроорганизмы
подвергаются солнечному и температурному воздействию, атмосферным
осадкам и ветру. Поэтому микрофлора воздуха весьма динамична,
непрерывно меняется и обновляется.
Контаминация воздуха патогенными микроорганизмами происходит
41
капельным путем. Микробы содержатся в составе аэрозоля, образующегося
при разговоре, кашле, чиханьи. Кроме того, микроорганизмы попадают в
воздух со слущивающимся эпителием кожных покровов, пылью из
загрязненного постельного белья и зараженной почвы.
4 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
К основным физиологическим свойствам микроорганизмов относятся
процессы питания, дыхания, роста, развития, движения и размножения.
Как и всем живым организмам, микробам присущ обмен веществ.
Микроорганизмы отличаются от животных и растений чрезвычайно
интенсивным обменом веществ. При благоприятных условиях одна клетка
может переработать за сутки массу веществ, во много раз превышающую ее
собственную массу.
Питание микроорганизмов
Для осуществления всех жизненных процессов микробной клетки
(рост, развитие, размножение) необходимы определенные условия, в первую
очередь питательные вещества, из которых микроорганизмы синтезируют
составные части своего тела. Процессы питания тесно связаны с дыханием.
При питании клетка получает строительный и энергетический материал, а в
процессе дыхания образуется энергия, необходимая для жизни клетки. В этих
процессах микроорганизмы производят колоссальные как в качественном,
так и в количественном отношении превращения, которые и обусловливают
роль микробов в круговороте веществ экосистем.
Микроорганизмы
поглощают
питательные
вещества
всей
поверхностью тела через полупроницаемую оболочку путем диффузии или
адсорбции. Интенсивность этих процессов зависит от разных условий, из
которых особенно важное значение имеет разница в осмотическом давлении
42
микробной клетки и окружающей среды, а также от строения клетки и
проницаемости плазменной оболочки.
Поступление питательных веществ в клетку возможно при условии
растворения их в воде или липоидах. Органические вещества, которые не
растворяются в воде, предварительно переводятся в водорастворимые
воздействием на них гидролитических ферментов, выделяемых микробной
клеткой наружу (эктоферменты).
Благодаря постоянному притоку воды в клетку ее коллоиды находятся
в набухшем состояние в результате чего цитоплазма плотно прижата к
оболочке;
Такое
постоянное
напряжение
клеточного
содержимого
называется туpropом бактериальной клетки. Когда бактерий помещают в
концентрированный раствор какого-либо вещества, например в 20 %-ный
раствор поваренной соли, наступает резкое обезвоживание микробной
клетки, цитоплазма съеживается и отходит от клеточной оболочки. Это
явление носит название плазмолиза (рис. 5).
Рис. 5. Плазмолиз бактерий разных видов.
Плазмолиз
из-за
резкого
нарушения
нормальной
структуры
цитоплазмы приводит к гибели клетки. Он по-разному проявляется у
различных видов микробов. Наиболее устойчивы к нему сенная палочка, стафилококки, сардины. Свойством плазмолиза широко пользуются на практике
для консервирования пищевых продуктов в крепких растворах поваренной
соли или сахара.
43
По типу питания микроорганизмы делят на автотрофы (прототрофы) и
гетеротрофы.
Автотрофы (греч. autos — сам, trophe — пища) способны
синтезировать органические вещества из неорганических. Необходимый
углерод они получают из углекислого газа (СО2) или из карбонатов.
В зависимости от используемых источников энергии автотрофные
бактерии разделяют на две подгруппы: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.
Фотоавтотрофы имеют в цитоплазме особые пигменты (бактериопурпурин,
бактериохлорин), близкие по химическому составу к хлорофиллу зеленых
растений,
обеспечивающие
аккумуляцию
необходимой
энергии.
Хемоавтотрофы получают энергию окислением только определенных
минеральных соединений и используют углерод для построения клеточных
веществ из углекислого газа. К автотрофам относятся нитрифицирующие
бактерии, серобактерии, железобактерии и ряд других микроорганизмов.
Гетеротрофы
автотрофным
(греч.
организмам
heteros
—
другой)
могут
воспринимать
в
противоположность
углерод
только
из
органических соединений (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты). К
гетеротрофам
относятся
большинство
известных
нам
микробов
—
гнилостные бактерии, возбудители различного рода брожений, а также
болезнетворные микроорганизмы.
Гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на метатрофы и
паратрофы. Метатрофы, или сапрофиты (греч. sapros — гнилой, phyton —
растение), — для ассимиляции углерода нуждаются в мертвых органических
веществах. Такие гетеротрофные формы широко распространены и играют
важную роль в разложении мертвых органических остатков в почве, сточных
водах и т.д. Паратрофы, или паразиты (греч. parasitos), — микробы,
вызывающие болезнь в организме тех существ, в тканях которых они живут.
Болезнетворных микроорганизмов в природе меньше, чем сапрофитов.
Деление микроорганизмов на автотрофы и гетеротрофы весьма
условно, так как при изменении факторов среды обмен веществ у
44
микроорганизмов
может
изменяться
в
соответствии
с
характером
питательного субстрата. Отдельные виды патогенных микробов могут существовать в окружающей среде как сапрофиты, и, наоборот, некоторые
сапрофиты могут вызывать у человека и животных различные заболевания.
В качестве источника углерода микроорганизмы чаще используют
углеводы, многоатомные спирты, различные органические кислоты и их
соли.
Источники азота для разных видов микроорганизмов могут быть
самыми различными, начиная от молекулярного азота атмосферы для
азотфиксирующих бактерий и заканчивая сложными белками животного и
растительного происхождения для патогенных микробов.
Микроорганизмы, способные синтезировать белок из минеральных или
из
простейших
органических
соединений
азота,
называются
аминоавтотрофами. Микробы, которым для создания белков необходимы
готовые определенные аминокислоты, называются аминогетеротрофами.
Кроме органогенов (С, N, Н, О), микроорганизмам для нормального
развития нужны зольные элементы, хотя потребность в них и незначительна.
К необходимым зольным элементам, входящим в состав ряда важнейших
органических соединений микробной клетки, относятся: сера, фосфор, калий,
кальций, магний и др. Большое значение в жизни организмов имеют
микроэлементы: бор, молибден, цинк, марганец, кобальт, медь, йод, бром и
некоторые другие. Они участвуют в синтезе ферментов и активизируют их.
Помимо обычных питательных веществ, многие микроорганизмы для
роста и размножения нуждаются в особых веществах, так называемых
факторах роста. К ним относятся витамины, аминокислоты и другие
вещества.
Для
большинства
микроорганизмов
значение имеют витамины B1. (тиамин), В2
наиболее
важное,
(рибофлавин), пантотеновая
кислота, холин, РР (никотиновая кислота), В6 (пиридоксин), Н (биотин),
инозит, фолиевая кислота, парааминобензойная кислота, B12 (кобаламин), К.
Для выращивания различных видов микробов готовят искусственные и
45
естественные питательные среды, учитывая потребность микроорганизмов в
органогенах, минеральных веществах и других соединениях.
Дыхание микроорганизмов
Дыхание
—
совокупность
биохимических
окислительно-
восстановительных процессов, сопровождающихся выделением тепловой
энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности микробов.
Гетеротрфы окисляют органические соединения, автотрофы
—
минеральные (аммиак, нитриты, сероводород и др.).
Л.
Пастер
микроорганизмы
в
1861
способны
г.
впервые
обнаружил,
размножаться
без
что
доступа
отдельные
атмосферного
кислорода. Энергию они получают в процессе брожения.
Исходя из этого, по типу дыхания микроорганизмы разделены на две
основные группы:
1.
Аэробы, использующие молекулярный кислород для своей
жизнедеятельности. Они хорошо развиваются на поверхности субстратов при
доступе воздуха.
2.
Анаэробы, живущие только при отсутствии кислорода в среде
обитания.
Промежуточное положение между аэробами и анаэробами занимает
третья группа, так называемые факультативные анаэробы, способные
развиваться как в кислородных, так и в бескислородных условиях. В эту
группу входит большинство сапрофитных и патогенных микробов.
Факультативные анаэробные бактерии содержат в цитоплазме набор
ферментов, благодаря чему они могут полностью окислять субстраты до
углекислого газа и воды или получать энергию в процессе брожения.
Аэробные
бактерии
могут
полностью
окислять
различные
органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические
кислоты).
При
таком
окислении
46
одной
грамм-молекулы
глюкозы
освобождается 2881200 Дж:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2881200 Дж.
Это соответствует запасу потенциальной энергии тексозы, т.е. тому
количеству энергии, которое было аккумулировано в молекуле сахара при
фотосинтезе его из углекислого газа и воды в зеленых растениях.
Некоторые аэробные микроорганизмы не доводят реакцию окисления
до образования конечных продуктов — воды и углекислого газа. Примером
неполного окислительного процесса может служить дыхание уксуснокислых
бактерий, у которых при окислении этилового спирта конечным продуктом
являются уксусная кислота (СН3СООН) и вода:
СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 687200 Дж.
У ряда бактерии автотрофов дыхательный процесс состоит в окислении
неорганических
соединений.
Например,
нитрифицирующие
бактерии
получают энергию при окислении аммиака:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 663800 Дж
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 201600 Дж.
Среди конечных продуктов брожения всегда образуются продукты
неполного окисления веществ, при этом энергии выделяется во много раз
меньше, чем при дыхании. Так, при брожении одной грамм-молекулы
глюкозы выделяется в 25 раз меньше энергии, чем при аэробном дыхании:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 113400 Дж.
Анаэробный (интрамолекулярный) тип дыхания широко распространен
в группе микроорганизмов. К нему относят спиртовое,
молочнокислое,
маслянокислое брожение и т.д. Между анаэробным и аэробным дыханием
нет резкой грани. Например, дрожжи в анаэробных условиях расщепляют
сахар с образованием спирта и углекислого газа, а при повышенном
воздухообмене
разлагают
глюкозу
до
воды
и
углекислого
газа.
Молочнокислое брожение – анаэробный процесс, однако, молочнокислые
бактерии хорошо развиваются
и в присутствии кислорода воздуха.
Процессы дыхания у бактерий представляют собой длинную цепь
47
последовательных окислительно-восстановительных реакции с участием
многих
ферментных
образуются
систем.
многочисленные
В
ходе
продукты
этих
с
процессов
постепенной
расщепления
перестройкой
молекулы окисляемого субстрата
Химизм дыхания. Начальная фаза превращения сахара одинакова как
при анаэробном (брожение), так и при аэробном (дыхание) процессе. Через
ряд последовательных превращений при распаде молекулы глюкозы
(С6Н12О6) образуется пировиноградная кислота (СНСОСООН), после чего
дальнейшие преобразования идут разными путями в зависимости от наличия
ферментов и внешних условий.
Весь цикл расщепления гексозы (сахара) до пировиноградной кислоты
называется гликолизом. В результате превращений сахара в первой фазе
дыхания в митохондриях клеток образуется АТФ (аденозинтрифосфорная
кислота), в которой накапливается энергия.
Вторая фаза дыхания аэробная и заключается в превращении
пировиноградной кислоты в СО2 и Н2О. Это превращение связано с
образованием ряда органических кислот (уксусной, щавелевоуксусной,
лимонной, щавелевоянтарной и пр.). В результате постепенного образования
органических кислот весь углерод пировиноградной кислоты окисляется.
Этот цикл окисления пировиноградной кислоты получил название цикла
Кребса. В процессе окисления молекулы глюкозы до СО2 и Н2О образуется
38 молекул АТФ (две — в первую и 36 — во вторую фазу дыхания), т.е.
накапливается около 1260000 Дж энергии.
Выделение энергии при дыхании значительно превышает количество,
фактически используемое микроорганизмами на их жизненные процессы.
Многие виды микробов потребляют не более 10—25 % выделяющейся
энергии. Остальная энергия, образовавшаяся в результате окислительных
процессов (75 % и больше), выделяется в окружающую среду в виде тепла.
Этим объясняется самосогревание навоза, сена, зерна, когда в них
развиваются различные микроорганизмы. Самосогревание используется в
48
парниковых грядах для выращивания овощей, обезвреживания навоза от
болезнетворных микробов.
Микробные клетки обладают значительным набором ферментов.
Например, плесневой гриб аспергилл содержит до 20 различных ферментов.
Принято
различать
эктоферменты
(эктоэнзимы)
и
ферменты
(эндоэнзимы). Первые, выделяемые клеткой в окружающую среду, разлагают
питательные
вещества
и
подготавливают
их
к
усвоению
клеткой.
Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой и действуют внутри
микробной клетки. Поступившие в клетку питательные вещества с помощью
эндоферментов превращаются в ее составные части.
Активностью ферментов определяются все жизненные проявления
микроорганизмов и их роль в круговороте веществ в природе, повышении
плодородия почвы, гниении, производстве кормов при силосовании и т. д.
Ферментативные особенности микробов широко используются в земледелии,
бродильном производстве, обработке льна, шкур, консервировании многих
пищевых продуктов.
Знание ферментативных способностей различных бактерий и грибов
помогло использовать их в виноделии, пивоварении, силосовании, для
приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот и
молочных продуктов (сыра, ацидофилина, кумыса и ряда других).
Размножение микроорганизмов
Микроорганизмы при благоприятных условиях способны интенсивно
увеличиваться
в
числе.
Все
бактерии,
дрожжи,
плесневые
грибы,
простейшие, риккетсии размножаются путем деления, когда из одной клетки
образуется две особи. У одноклеточных водорослей, простейших, плесневых
грибов и дрожжей установлен как половой, так и бесполый способ
размножения.
Бактерии
размножаются
преимущественно
бесполым
поперечным делением (изоморфно) на две равные клетки. Иногда у них
49
наблюдается почкование. Наследственность у бактерий существует, но
передача признаков и свойств по наследству в отличие от высших животных
и растений не связана с половым процессом. Скорость размножения
бактерий зависит от состава среды, температуры, влажности и др. условий.
При благоприятных условиях существования многие бактерии делятся
через каждые 20—30 мин. Подсчитано, что при такой скорости размножения
одна клетка за 5 суток могла бы дать количество особей, способное
«заполнить бассейны всех морей и океанов» (В. Л. Омелянский). Однако
размножение
бактерий
в
природе
лимитируется
различными
неблагоприятными факторами окружающей среды (действием солнечного
света, недостаточной влажностью, антагонизмом между различными видами,
накоплением собственных продуктов обмена в среде и др.).
При размножении бактерий на жидкой питательной среде наблюдают
несколько последовательных фаз:
1. Фаза задержки, или лаг-фаза, когда бактерии не размножаются,
приспосабливаются к питательной среде. Чем благоприятнее среда для
выращиваемой культуры, тем короче лаг-фаза.
2. Фаза логарифмического размножения — увеличение числа клеток в
геометрической прогрессии.
3. Стационарная фаза — число образующихся новых клеток
соответствует примерно числу отмерших. Количество жизнеспособных
бактерий остается постоянным.
4.
Фаза старения — прекращение размножения клеток из-за
отсутствия питательных веществ.
5
ТОЛЕРАНТНОСТЬ
МИКРООРГАНИЗМОВ
К
ФАКТОРАМ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов тесно связаны с
окружающей средой. Проявление их деятельности зависит от изменения или
50
особенностей этой среды.
Каждый
вид
микроорганизма
способен
расти,
развиваться
и
размножаться в рамках внешних условий, которые отражают их уровень
толерантности.
Экологические факторы среды многочисленны и разнообразны.
Обычно их разделяют на физические, химические и биологические.
Микроорганизмы лучше адаптируются к экстремальным физическим и
химическим факторам окружающей среды, чем животные и растения.
Некоторые бактерии сохраняют жизнеспособность при температуре до +104
° С, в диапазоне рН от 1 до 13, давлении от 0 до 1400 атм., длительно живут в
бидистиллированной воде и в насыщенных растворах солей, не погибают при
интенсивном облучении, в присутствии тяжелых металлов, антисептиков,
антибиотиков, дезинфектантов. В то же время для каждого вида есть
наследственно обусловленные оптимальные уровни и критические границы
толерантности микробов к физическим, химическим и биологическим
факторам.
Толерантность к физическим факторам окружающей среды
К
физическим
факторам
внешней
среды,
положительно
или
отрицательно влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся:
влажность среды, концентрация в ней растворенных веществ и ее
осмотическое давление, температура, солнечный свет и различные формы
лучистой энергии.
Влажность среды. Некоторые виды микробов весьма чувствительны к
недостатку влаги. Например, нитрифицирующие и уксуснокислые бактерии
после высушивания быстро отмирают. Другие, наоборот, могут сохраняться
в высушенном состоянии в течение нескольких месяцев и даже лет
(стафилококки, молочнокислые бактерии, дрожжи). Особенно устойчивы к
высушиванию споры бактерий и плесневых грибов. Они могут сохраняться в
51
высушенном состоянии десятки лет. Высушивание в вакууме при низкой
температуре с последующим хранением в безвоздушной среде сохраняет
жизнедеятельность микробов длительное время (лиофильная).
Этот метод
широко используется для длительного хранения микробных культур. Так,
некоторые болезнетворные бактерии (кокки) сохранялись в подобных
условиях 25, а микобактерии — 17 лет.
В почве различные группы микроорганизмов наиболее интенсивно
развиваются при влажности, близкой к 60 % полной влагоемкости.
К
наиболее
влаголюбивым
почвенным
бактериям
относятся
азотфиксирующие (азотобактер и клубеньковые). При высушивании почвы
микробиологическая активность понижается или полностью подавляется.
Неспособность микроорганизмов развиваться в условиях недостаточной
влажности используется для предохранения от порчи продуктов и кормов
путем высушивания. Сушке подвергают мясо, рыбу, овощи, фрукты, молоко
и другие продукты, а также сено.
Концентрация растворенных в среде веществ. В естественных
условиях микроорганизмы живут в растворах с разной концентрацией
растворенных веществ, а, следовательно, с неодинаковым осмотическим
давлением.
Повышение концентрации солей в среде выше оптимума нарушает
нормальный обмен веществ между клеткой и внешней средой. В этом случае
вода выходит из клетки, цитоплазма отходит от клеточной оболочки
(плазмолиз), поступление в клетку питательных веществ приостанавливается.
В таком состоянии микроорганизмы довольно быстро погибают и лишь
некоторые способны длительно сохраняться. Так, существуют бактерии,
которые адаптировались к высоким концентрациям солей (около 29 %). Эти
бактерии называют галофильными («любящими» соль).
Губительное
действие
высоких
концентраций
солей
на
микроорганизмы нашло применение и в практической деятельности
человека. Оно лежит в основе консервирования многих пищевых продуктов
52
(мясо, рыба) в крепких растворах соли. Большинство гнилостных бактерий
прекращает развитие уже при 5—10 %-ной концентрации NaCl в среде
(Proteus vulgaris, Bacillus mesentericus). Однако для получения более
надежных результатов употребляют более концентрированные растворы
поваренной соли — 20—30 %.
Для создания высокого осмотического давления в жидкости, кроме
хлористого натрия, широко используют сахара, но в концентрациях,
превышающих 70 %.
Температура.
Температура
среды
—
один
из
важнейших
экологических факторов, влияющих на жизнь микробов. Каждый
вид
микроорганизмов может развиваться лишь в определенных пределах
температуры.
По
отношению
подразделяются
на
к
три
температуре
группы:
микроорганизмы
психрофильные,
обычно
мезофильные
и
термофильные.
К психрофильным (греч. psichrio — холодный,
phileo — люблю)
относятся микроорганизмы, приспособившиеся и развитию при низкой
температуре. Это плесневые грибы, светящиеся бактерии, бактерии
холодных водоемов, ледников и т.п. Для них минимальная температура
составляет от 0 до 10 °С, оптимальная — около 10 °С и максимальная 20—30
°С. Некоторые виды способны расти даже при температуре ниже 0 °С.
Вообще к низким температурам микроорганизмы малочувствительны.
Ряд исследователей доказали, что бактерии сохраняют жизнеспособность
после обработки их в течение нескольких часов жидким воздухом (—182, —
100 °С) или даже жидким водородом (—252 °С). Низкие температуры
приостанавливают
жизнедеятельность
микроорганизмов,
поэтому
предупреждают порчу охлажденных мяса, рыбы, масла, молока и других
продуктов.
Повторное
замораживание
после
оттаивания
губительно
действует на микробы. Психрофильные бактерии спор не образуют.
Мезофильные бактерии (греч. inesos — средний) развиваются при
53
средних температурах. К ним относятся большинство сапрофитов и все
патогенные микробы.
Для них температурный минимум лежит в пределах 0— 10°, С
оптимум — при 25—35 °С и максимум — при 40—50 °С.
Термофильные бактерии (греч. termos — теплый) развиваются при
сравнительно высокой температуре Температурный минимум для них
находится около 30° С, оптимум — 50—60 °С, максимум — 70—80 °С.
Термофильные
микроорганизмы
распространены
в
горячих
минеральных водах и принимают деятельное участие в процессах
самосогревания навоза, силоса, влажного зерна.
Высокие
температуры
вызывают
гибель
микробной
клетки
в
результате свертывания (коагуляции) белков цитоплазмы и инактивации
ферментов. Большинство бесспоровых бактерий отмирают при нагревании до
60— 70 °С в течение 15—30 мин, а при нагревании до 80— 100 °С за время
от нескольких секунд до 1—3 мин. Во влажной среде бактерии при высокой
температуре гибнут скорее, чем в сухой, так как пар способствует быстрой
коагуляции белка. Споры многих бактерий выдерживают нагревание до 100°
С в течение нескольких часов. Даже наиболее устойчивые споры во влажной
среде при 120 °С погибают через 20—30 мин, а при действии сухого жара
(160—170 °С.) — спустя 1—2 ч.
На губительном действии высоких температур основаны два способа
уничтожения бактерий: пастеризация и стерилизация.
При пастеризации жидкость нагревают до 60—70 °С в течение 20—30
мин или до 70—80 °С в течение 6—10 мин, при этом погибают только
вегетативные формы бактерий. Пастеризацию применяют преимущественно
для сохранения молока, вина, икры, фруктовых соков и некоторых других
продуктов.
Под
стерилизацией
подразумевают
освобождение
какого-либо
предмета или вещества от всех живых существ. Это достигается нагреванием
до 100—130 °С в течение 20–40 мин.
54
Влияние света. Прямой солнечный свет убивает почти все виды
бактерий, за исключением пурпурных и фотобактерий. Под действием
прямых солнечных лучей бактерии гибнут за несколько минут или часов.
Биологическое действие солнечного света на микробы обусловлено
находящимися в нем ультрафиолетовыми лучами. После проникновения в
клетку они, адсорбируясь жизненно
важными частями, белками и
нуклеиновыми кислотами, вызывают фотохимические и окислительные
процессы, губительно действующие на микроорганизмы. Ультрафиолетовые
лучи убивают через несколько минут и вегетативные формы и споры.
В биологическом отношении наиболее интересны ультрафиолетовые
лучи с длиной волны от 280 до 230 нм.
Они обладают выраженным
бактериостатическим и бактерицидным действием. В зависимости от дозы
облучения и вида микроорганизма действие ультрафиолетовых лучей может
быть летальным или мутагенным.
Лампы, испускающие ультрафиолетовые лучи с длиной волны 254 нм,
широко применяют для стерилизации посуды, дезинфекции воздуха в
больницах и операционных, в школах, в борьбе с долгоносиком,
поражающим
зерно.
Ультрафиолетовые
лучи
используются
и
для
стерилизации воды, молока, материалов, разрушающихся при действии
высоких температур.
Влияние радиации, рентгеновского излучения и электричества.
Лучи радия и рентгена в малых дозах и при непродолжительном действии
стимулируют размножение некоторых микробов, в больших же дозах
убивают их. Электрический ток высокой частоты приводит к гибели
микроорганизмов. Особенно сильное действие на них оказывают токи
ультравысокой частоты.
Влияние
механических
сотрясений
Механические воздействия (сильные
и
высоких
давлений.
и частые толчки) уничтожают
большинство микробов. Встряхивание в шюттель-аппарате с песком или со
стеклянными бусами резко уменьшает число жизнеспособных бактерий.
55
Самоочищение
водоемов
от
микроорганизмов
частично
происходит
вследствие движения воды в реках и ручьях. Высокие давления слабо влияют
на микроорганизмы, отдельные виды бактерий могут нормально жить и размножаться в морях на глубине 9 км, где давление достигает 9×104 кПа.
Некоторые виды дрожжей,
плесневых грибов и бактерий переносят
давление и 3×105 кПа.
Толерантность к химическим факторам окружающей среды
К химическим факторам, оказывающим влияние на жизнедеятельность
микроорганизмов, относятся: состав и реакция среды, окислительновосстановительные условия среды.
Состав среды. Химические соединения могут быть полезными для
микроорганизмов
неблагоприятными
и
использоваться
—
как
антимикробными
питательные
вещества
(бактерицидными),
или
которые
угнетают или убивают микроорганизмы. Слабые растворы усиливают
жизнедеятельность
микробов.
Более
сильные
растворы
убивают
микроорганизмы лишь в вегетативной стадии, очень концентрированные
уничтожают и споры. Чувствительность различных микробов к одному и
тому же химическому соединению неодинакова. Некоторые вещества
оказывают вредное действие на одни группы микроорганизмов и являются
безвредными для других.
Из неорганических веществ наиболее ядовиты для микроорганизмов
соли тяжелых металлов (ртути, меди, серебра). При их концентрации 1:1000
большинство бактерий погибает в течение нескольких минут. Бактерицидное
действие оказывают хлор, йод, перекись водорода, марганцовокислый калий.
Из минеральных кислот этими свойствами обладают сернистая, борная и
некоторые другие кислоты.
Сильными ядами для микробов являются фенол (карболовая кислота),
креозол, формалин. В различной степени токсичны спирты и некоторые
56
органические кислоты (салициловая, масляная, уксусная, бензойная).
На губительном влиянии антисептиков на бактерии основано копчение
мяса и рыбы, во время которого продукт
содержащим
пропитывается дымом,
летучие соединения, в частности, формальдегид, фенолы,
смолы.
Реакция среды. Реакция среды является существенным химическим
фактором, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов. Величина рН
для нейтральной среды равна 7,0, для кислой — 0—6,0 и щелочной — 8,0—
14,0. Отношение микробов к реакции среды очень разнообразно. Если одни
могут развиваться в широких пределах величины рН, то для развития других
микроорганизмов колебания рН должны быть незначительны.
Для многих плесневых грибов и дрожжей наиболее благоприятна среда
с рН 3,0—6,0; большинство бактерий лучше развивается в нейтральной или
слабощелочной среде (7,0—7,5). Очень кислая реакция на бактерии действует губительно.
Исключение представляют бактерии, которые сами образуют кислоту
(уксуснокислые, молочнокислые, лимоннокислые и маслянокислые).
Микроорганизмы, живущие в почве или водоемах, встречаются со
значительным колебанием рН, поэтому они приспособились к широкому
диапазону значений рН. И, наоборот, патогенные микроорганизмы, живущие
в теле человека или животного, могут развиваться в сравнительно узком
диапазоне рН.
Окислительно-восстановительные
микроорганизмов
находится
в
условия
тесной
связи
среды.
с
Развитие
окислительно-
восстановительными условиями среды, обозначаемыми условно символом
rН2.
Он
представляет
собой
отрицательный
логарифм
давления
молекулярного водорода и выражает степень аэробности в среде. Если среда
насыщена молекулярным водородом, то rН2 равно нулю. При равновесии
окислительных и восстановительных процессов в среде rН2 равно 28. При
насыщении
среды
кислородом
rН2
57
равно
41.
На
окислительно-
восстановительный потенциал среды оказывает влияние аэрация. Различные
микроорганизмы
имеют
кардинальные
точки
окислительно-
восстановительных условий — минимум оптимум и максимум, которые
определяют их развитие.
Потребность микроорганизмов в кислороде очень различна. Анаэробы
могут размножаться при низких значениях rН2 — от 8 до 10. Аэробы
размножаются в диапазоне rН2 от 10 до 30. Промежуточные формы
(факультативные анаэробы) могут развиваться в широких пределах rН2 — от
0 до 30.
Регулируя окислительно-восстановительные условия в среде, можно не
только действовать на рост и развитие микроорганизмов, но и влиять на
характер физиологических и биохимических процессов, вызываемых микроорганизмами.
Толерантность к биологическим факторам среды
К
биологическим
факторам,
влияющим
на
жизнедеятельность
микроорганизмов, относятся различные их взаимоотношения как с другими
видами микроорганизмов, так и с иными организмами окружающей среды.
Эти взаимоотношения могут носить симбиотический, антагонистический или
паразитический характер.
Типы взаимоотношений микробов в биоценозах.
Микроорганизмы жестко конкурируют между собой. Это связано с
тем,
что
обитающие
в
конкретном
биоценозе
микробы
обладают
принципиально сходными потребностями в источниках энергии и питания.
Каждый
микроорганизм
приспосабливается
не
только
к
неживым
субстратам, но и к другим окружающим его организмам. Подобная адаптация
иногда
приводит
к
приобретению
особых
метаболических
свойств,
наделяющих обладателя способностью занимать специфические ниши.
Например, нитрифицирующие бактерии могут расти без органических
58
источников энергии, окисляя аммиак или нитриты в качестве источника
энергии в отсутствие света; другие организмы в подобных условиях не
развиваются.
Поэтому
нитрифицирующие
бактерии
не
испытывают
биологической конкуренции. Значительная часть бактерий участвует в
конкурентной борьбе, адаптируясь к сосуществованию с другими формами
жизни либо вступая с ними в противодействие.
Симбиоз. Примером симбиоза могут служить взаимоотношения между
некоторыми молочнокислыми бактериями и дрожжами (молочнокислые
бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают условия, благоприятные
для роста дрожжей, а продукты жизнедеятельности дрожжей — витамины
стимулируют развитие молочнокислых бактерий), азотфиксирующими
микробами и целлюлозоразлагающими бактериями, сожительство аэробов,
поглощающих
кислород,
взаимоотношения
часто
с
анаэробами
наблюдаются
и
между
др.
Подобного
рода
микроорганизмами
и
растениями (например, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми
растениями, микориза — сожительство различных грибов с корнями
растений), а также между микробами и животными.
Взаимоотношения, при которых микроорганизм располагается вне
клеток хозяина (более крупного организма), известны как эктосимбиоз; при
локализации внутри клеток — как эндосимбиоз.
Типичные эктосимбиотические микробы — Escherichia coli, бактерии
родов Bacteroides и Bifidobacterium, Proteus vulgaris, a также другие
представители кишечной микрофлоры.
Взаимоотношения симбиотического характера имеют следующие
формы.
Метабиоз — такое существование, когда продукты жизнедеятельности
одних видов микробов представляют собой материалы для питания и
развития других видов. Например, сапрофиты расщепляют, натуральные
белки до пептонов, аминокислот и других, более простых соединений. А эти
продукты служат исходным материалом для нитрифицирующих бактерий,
59
которые переводят аммиачные соли в азотистую, а затем в азотную кислоту.
Дрожжи превращают сахара в этиловый спирт, а уксуснокислые
бактерии окисляют его в уксусную кислоту. Эта форма взаимоотношений
распространена среди почвенных микробов и лежит в основе круговорота
веществ в природе.
Комменсализм (от лат. соm + mensa —
сотрапезники) —
разновидность симбиоза, при которой выгоду извлекает только один партнер
(не принося видимого вреда другому). Микроорганизмы-комменсалы
колонизируют кожные покровы и полости организма человека (например,
желудочно-кишечный
тракт),
не
причиняя
«видимого»
вреда;
их
совокупность — нормальная микробная флора (естественная микрофлора).
Типичные
эктосимбиотические
организмы-комменсалы
—
кишечная
палочка, бифидобактерии, стафилококки, лактобациллы. Многие бактериикомменсалы принадлежат к условно-патогенной микрофлоре и способны при
определённых
обстоятельствах
вызывать
заболевания
макроорганизма
(например, при внесении их в кровоток во время медицинских манипуляций).
Мутуализм (от лат. mutuus — взаимный) — взаимовыгодные
симбиотические отношения. Так, микроорганизмы вырабатывают БАБ,
необходимые организму хозяина (например, витамины группы В). При этом
обитающие в макроорганизмах эндо- и эктосимбионты защищены от
неблагоприятных условий среды (высыхания и экстремальных температур) и
имеют постоянный доступ к питательным веществам. Из всех видов
мутуализма наиболее удивительно культивирование некоторых грибов
насекомыми (жуками и термитами). С одной стороны, это способствует
более широкому распространению грибов, с другой — обеспечивает
постоянный источник питательных веществ для личинок.
Сателлизм.
Некоторые
микроорганизмы
способны
выделять
метаболиты, стимулирующие рост других микроорганизмов. Например,
сарцины или стафилококки выделяют ростовые факторы, стимулирующие
рост бактерий рода Haemophilus. Нередко совместный рост нескольких видов
60
микробов
активирует
взаимоотношения
их
известны
физиологические
как
сателлизм
(от
свойства.
лат.
Подобные
safeties
—
сопровождающий) (рис. 6).
Рис. 6. Синергизм у микробов – вокруг агарового блока с культурой
актиномицета видна зона стимуляции роста плесневого гриба.
Антагонизм (антибиоз) — Ситуации, когда один микроорганизм
угнетает развитие другого, известны как микробный антагонизм (от греч.
antagonizmai — соперничество) и отражают сложившиеся эволюционно
формы борьбы микроорганизмов за существование (то есть за источники
питания и энергии).
Антагонистические взаимоотношения особенно выражены в местах
естественного обитания большого числа различных видов и типов
микроорганизмов (например, в почве или ЖКТ), имеющих одинаковые
пищевые и энергетические потребности. При этом воздействие на конкурента
может быть пассивным или активным. В первом случае микроорганизмы
быстрее утилизируют субстрат, лишая соперника «сырьевых ресурсов»; во
втором — «объявляют войну до полного уничтожения». Формы истребления
могут быть вариабельными — от банального поглощения более мелких
видов до выделения высокоспецифичных продуктов, токсичных для
конкурентов (рис. 7).
61
Рис. 7. Антагонизм у микробов – вокруг агарового блока с культурой
актиномицета видна зона подавления роста стафилококка.
Губительное
действие
микроорганизмов-антагонистов
связано
с
накоплением ими в среде продуктов жизнедеятельности или с выделением в
нее определенных биологически активных веществ — антибиотиков.
В результате такого неблагоприятного воздействия жизнедеятельность
одного из видов ослабляется или он погибает.
Молочнокислые
бактерии
являются
антагонистами
гнилостных
бактерий, так как молочная кислота тормозит развитие последних.
Обыкновенная почвенная микрофлора угнетает болезнетворные для человека
микроорганизмы.
Антагонизм
наблюдается
микроорганизмами.
Растения
также
между
вырабатывают
растениями
и
вещества, токсичные для
бактерий, грибов и простейших. Эти вещества обладают различными
свойствами и неодинаковы по химической природе, силе действия и т. д.
Впервые они выявлены советским ботаником В. П. Токиным в 1928 г. и
названы фитонцидами (phyton — растение, caedo — убиваю).
Фитонциды многих растений обладают бактерицидными свойствами,
т.е. могут убивать бактерии. Фитонциды других растений отличаются
бактериостатическими
свойствами, они
только
задерживают рост и
размножение микробов. Такие вещества создают естественный иммунитет
растений к различным инфекционным и паразитным заболеваниям. К
62
фитонцидам относятся весьма различные вещества: эфирные масла,
альдегиды, алкалоиды, фенолы и т.д. Их можно использовать для
дезинфекции почвы. Выращивание фитонцидных растений освобождает
почву от возбудителей болезней. Так, посевы вики и клевера способствуют
очищению почвы от возбудителя сибирской язвы.
Паразитизм. Примером паразитизма могут служить взаимоотношения
бактерий с соответствующими видами бактериофагов, являющимися для
первых паразитами.
Одно из проявлений паразитизма микроорганизмов у животных,
растений и человека называется инфекцией (лат. infectio — заражение).
Паразитические
микроорганизмы
разделяют
на
внутри-
и
внеклеточные. Внутриклеточные паразиты — вирусы, риккетсии и хламидии.
Внеклеточные паразиты — большинство бактерий и простейших.
Факультативные паразиты. В зависимости от внешних условий
некоторые микроорганизмы могут вести себя как паразиты, либо как
сапрофиты. Поэтому их так и называют — факультативные паразиты. К ним
относят большинство условно-патогенных бактерий.
Облигатные
паразиты
полностью
утратили
собственные
метаболические возможности и живут, разрушая ткани хозяина.
Таким образом, зона толерантности микробного мира поистине
грандиозна, ее границы часто находятся на предельных значениях
экологических факторов. Эта особенность микроорганизмов обеспечивает им
практически беспредельное развитие на всей планете.
6 ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРО- И МАКРООРГАНИЗМОВ
Между организмом человека и микробами существуют определенные
взаимоотношения,
которые
можно
охарактеризовать
как
мутуализм,
комменсализм и паразитизм.
Мутуализм. Полезными сожителями в кишечнике человека являются
63
кишечные палочки, участвующие в синтезе витаминов группы В и
молочнокислые
бактерии,
являющиеся
антагонистами
гнилостной
микрофлоры кишечника.
Комменсализм. Нормальные обитатели кожи и слизистых оболочек, а
также полостей организма человека, такие, как непатогенные стафилококки,
различные палочки, актиномицеты.
Паразитизм.
Микробы-паразиты
составляют
большую
группу
возбудителей инфекционных заболеваний человека и животных. Живой
организм является для микроба-паразита его постоянной, естественной
средой обитания. Под влиянием этой среды одни микробы в ходе филогенеза
приобрели новые ферментные системы, позволяющие им использовать в
качестве питательной среды различные компоненты клеток и тканей хозяина.
Другие
микроорганизмы,
например
вирусы,
совсем
утратили
свои
ферментные системы. Жизнедеятельность их и размножение целиком
зависят от клеток организма, к которым они адаптировались.
Каждый микроб-паразит в процессе эволюции приспособился к
существованию в одном или ограниченном числе видов высших организмов.
Одни приспособились к паразитированию только в организме человека,
например вирус кори, возбудители дизентерии, холерный вибрион,
сальмонеллы тифа. Другие могут существовать в организме как человека,
так и животного: возбудитель чумы, бруцеллы, микобактерии туберкулеза.
Третьи адаптировались только к организму животных — возбудители
куриной холеры, рожи свиней.
Микроорганизмы, вызывающие заболевания человека и животных,
называются патогенными (от греч. pathos — страдание, genos — рождение),
а их способность вызывать заболевание — патогенностью (Приложение,
рис. 7).
Существует еще группа условно патогенных микроорганизмов,
живущих на коже, слизистых оболочках и в полостях человеческого
организма. Они могут вызывать заболевания лишь при определенных
64
условиях, в случае ослабления сопротивляемости организма (плохое
питание, утомление, тяжелая работа, хронические болезни, нарушения
температурного режима). Патогенностью могут обладать и некоторые
сапрофиты. Например, возбудитель ботулизма живет во внешней среде как
сапрофит. Попадая в пищевые продукты, особенно консервы, этот микроб
начинает размножаться и выделяет настолько ядовитый токсин, что даже
самые ничтожные дозы егo вызывают тяжелейшее отравление.
Таким образом, из всех форм взаимоотношений микробов и человека
для экологии человека и медицинской микробиологии представляют интерес
прежде всего явления паразитизма, так как на основе этих биотических
взаимоотношений возникают инфекционные заболевания.
Также известно, что в природе довольно распространены взаимосвязи
микроорганизмов разных систематических групп с высшими дикими и
культурными растениями, вызывая часто патогенез вегетативных органов.
Фитопатогенными могут быть бактерии, вирусы и микроскопические грибы
(Приложение, рис. 8–11).
Характеристика микроорганизмов — возбудителей инфекционных
заболеваний
Микроорганизмы, которые вызывают инфекционное заболевание,
обладают
патогенностью,
вирулентностью,
специфичностью
и
органотропностью.
Патогенность
—
является
видовым
признаком
возбудителей
инфекционных болезней и передается по наследству. Например, вирус кори
или холерный вибрион патогенны для человека и непатогенны для
животных. Возбудитель чумы крупного рогатого скота непатогенен для
человека. Понятие патогенности более широко, чем понятие паразитарности.
Как уже указывалось, микробы-сапрофиты, не ведущие паразитический
образ жизни, могут стать патогенными, если в организм человека попадают
65
продукты их жизнедеятельности, их токсины (возбудители ботулизма,
столбняка, газовой гангрены).
Наиболее характерной чертой патогенных микробов является их
специфичность, т.е. способность каждого патогенного микроба при
проникновении в организм и размножении в нем вызывать определенную
инфекционную болезнь.
Патогенные микробы обладают не только специфичностью, но даже
органотропностью. Для большинства микроорганизмов — возбудителей
заболеваний характерно предпочтительное поражение определенных органов
и тканей. Например, кишечные микробы: холерный вибрион, дизентерийные
бактерии, сальмонеллы тифа поражают слизистую оболочку кишечника,
малярийный паразит — клетки печени и эритроциты, вирус гриппа —
слизистые дыхательных путей, вирус оспы — эпителий кожи и слизистых.
Патогенность различных микробов может широко варьировать.
Отдельные штаммы одного и того же вида могут обладать различным по
силе болезнетворным действием.
Разная
степень
патогенности
микроба
получила
название
вирулентности. Вирулентность различных штаммов патогенных микробов,
определяют по наименьшему количеству микробных клеток или ядовитых
продуктов их жизнедеятельности, способных вызвать гибель восприимчивых
животных.
Вирулентные
микробы,
обладающие
высокой
степенью
патогенности, способны вызвать гибель чувствительного животного при
введении ему всего нескольких клеток. Маловирулентные микроорганизмы
вызывают гибель животных при введении им сотен миллионов клеток.
Количество микробов, при котором наступает гибель животного, называется
минимальной смертельной, или минимальной летальной, дозой: sis letalis
minima (Dim). При сопоставлении вирулентности различных возбудителей
указывают LD50, которую определяют по количеству микробных клеток,
способных вызвать гибель 50 % животных, зараженных в опыте одинаковой
минимальной дозой.
66
Изменить вирулентность микроорганизмов можно также путем
трансформации, при выращивании их на питательных средах, содержащих
нуклеопротеиды (ДНК) родственных микробов. Колебания вирулентности
микроба могут отражаться на тяжести инфекционного процесса у человека,
длительности инкубационного периода, продолжительности болезни.
7 УЧЕНИЕ ОБ ИММУНИТЕТЕ
Э. Дженнер впервые использовал искусственное заражение человека
оспой коров с целью предохранить его от заболевания натуральной оспой. Л.
Пастер предложил предохранительные прививки против бешенства и
сибирской язвы. Так было положено начало иммунологии — науке, которая
изучает защитные механизмы, лежащие в основе невосприимчивости
человека к инфекционным заболеваниям, и факторы, обусловливающие эту
защиту. В результате исследований Л. Пастера, И. И. Мечникова, Беринга и
Ру, Л. С. Ценковского, Г. Н. Габричевского, Борде, Эрлиха и др. достигнуты
значительные успехи в профилактике, лечении и диагностике инфекционных
заболеваний. Изучение явлений иммунитета позволило создать препараты
для предупреждения заболеваний (вакцины), получить лечебные сыворотки и
гамма-глобулины, использовать реакции иммунитета для диагностики
заболеваний.
Виды и формы иммунитета
Существуют различные классификации видов и форм иммунитета. Это
обусловлено значительным разнообразием защитных факторов и механизмов
иммунитета, которыми обладает организм.
Наиболее простая классификация видов и форм иммунитета: I —
естественный иммунитет: а) врожденный, видовой; б) приобретенный. К
естественному
иммунитету
относится
67
также
пассивный
иммунитет
новорожденных; II — искусственный иммунитет: а) активный, возникающий после вакцинации; б) пассивный, когда в организм вводятся лечебные
сыворотки или гамма-глобулины. Как отдельную форму А. М. Безредка
предложил выделить местный иммунитет органов и тканей.
Естественный
является
наиболее
иммунитет.
прочной
Врожденный,
формой
видовой,
иммунитет
невосприимчивости,
которая
обусловливается врожденными, биологическими особенностями данного вида. Например, человек не болеет чумой рогатого скота, куриной холерой,
рожей свиней. Животные, наоборот, невосприимчивы к заболеваниям
человека:
гонорее,
сифилису,
дифтерии,
холере.
Эти
свойства
невосприимчивости к тем или иным заболеваниям передаются потомству по
наследству. По-видимому, врожденный
следствием
естественной
видовой
невосприимчивости
иммунитет является
тканей
организма
к
паразитированию определенных микробов.
Приобретенный иммунитет возникает после того, как человек перенес
инфекционную болезнь, поэтому его называют также постинфекционным.
Приобретенный иммунитет индивидуален, потомству не передается. Он
специфичен, так как предохраняет организм только от перенесенной
болезни.
Искусственный иммунитет. Его создают в организме искусственно,
чтобы предупредить возникновение заболевания. Различают активную и
пассивную формы искусственного иммунитета.
Активный искусственный иммунитет создают у человека при введении
ему препаратов, которые получают
из убитых
или ослабленных микробов
(вакцины) либо обезвреженных токсинов возбудителей (анатоксины).
Продолжительность
активного искусственного иммунитета при
и микробов 3–5 лет, вакцин из
использовании вакцин из живых ослабленных
убитых микробов — до 1 года.
л
Пассивный искусственный иммунитет
возникает при введении в
а
организм человека специальных защитных
веществ, которые получили
б
68
л
е
название иммунных антител. Они содержатся в иммунных сыворотках
переболевших людей. Антитела можно получить также в сыворотках
животных, которых специально иммунизируют, заражая определенными
видами возбудителей.
Деление иммунитета на различные виды и формы весьма условно. Как
при врожденном, так и при приобретенном иммунитете защиту организма
осуществляют одни и те же системы, органы и ткани. Их функция
направлена на то, чтобы поддерживать в организме определенное
постоянство внутренней среды, которое можно обозначить как нормальное
состояние.
Защитная функция воспаления и фагоцитоз
Если микроб преодолевает защитные барьеры кожи и слизистых, то он
проникает по лимфатическим путям в лимфатические узлы или оседает в
тканях, вызывая ответную реакцию организма, которая получила название
воспаления.
Воспаление
—
реакция
организма
высших
животных
на
внедрившиеся в ткани чужеродные частицы, в том числе и микробы.
Полагают, что защитная функция воспаления состоит в том, что микроб
фиксируется в месте проникновения в тканях, не распространяясь дальше по
организму, и уничтожается в очаге воспаления клетками-фагоцитами. В
очаге воспаления клетки-фагоциты начинают формировать воспалительный
вал, поглощая и переваривая микробов. Распространению (диссеминации)
микробов за
пределы очага препятствует выпадающая в тканях сеть
фибрина, которая тромбирует лимфатические пути. После уничтожения
микроба в очаге воспаления начинается период восстановления.
Фагоцитоз. Процесс активного поглощения клетками организма
попадающих в него микробов и других чужеродных частиц называется
фагоцитозом (от греч. phagos — пожирающий, kytos — клетка), а клетки
69
организма, участвующие в этом процессе, — фагоцитами. Впервые И. И.
Мечников показал, что фагоцитоз широко распространен в природе. У
низших организмов, например амеб, он является способом питания. У
высших организмов, имеющих специальные пищеварительные системы,
процесс фагоцитоза является, по словам У. Бойда, «великим очищающим
механизмом». Фагоциты освобождают организм от чужеродных агентов, в
том числе и микробов, проникших извне. Они уничтожают старые клетки
собственного организма, переваривают старые эритроциты, обломки клеток,
а также мутировавшие клетки. Следовательно, фагоцитоз можно определить
как общебиологическую реакцию, действующую как при патологических,
так и при физиологических состояниях организма.
Механизм фагоцитозa. Фагоциты обладают способностью активно
двигаться по направлению к микробам или другим частицами. Это явление
называется хемотаксисом: положительном, если фагоцит движется к
микробу, и отрицательном при движении от микроба. Фагоцитоз в
организме осуществляется в несколько стадий: 1) движение фагоцита: к
объекту — положительный хемотаксис; 2) прилипание объекта к фагоциту
— адсорбция; 3) поглощение объекта; 4) переваривание и уничтожение его
ферментами
фагоцита.
Различают
фагоцитоз
завершенный
и
незавершенный. В результате завершенного фагоцитоза происходит лизис
бактерий в фагоцитах. При незавершенном фагоцитозе бактерий сохраняют
жизнеспособность: внутри фагоцита и могут даже размножаться в нем;
вызывая его гибель. Незавершенный фагоцитоз наблюдается, например, при
гонорее.
Значение фагоцитоза. Особенно велика его защитная роль в
устойчивости организма к разным заболеваниям. В процессе развития
инфекции фагоцитарная активность клеток повышается, а выздоровление
обычно сопровождается увеличением числа лейкоцитов. Снижение или
отсутствие защитной функции клеток может привести к смертельному
исходу.
70
Гуморальные факторы защиты
В крови и различных жидкостях организма млекопитающих и, в том
числе, человека находятся вещества, которые губительно действуют на
микробов. Они получили название гуморальных факторов защиты.
Неспецифические гуморальные факторы оказывают действие на
различных микробов, но оно значительно менее эффективно, чем действие
специфических
антител.
неспецифических
факторов
Совместное
оказывается
действие
наиболее
специфических
и
эффективным.
К
неспецифическим факторам защиты относятся: комплемент, пропердин,
лейкины, плакины, b-лизины, интерферон.
Комплемент (от лат. complementum — дополнение), или алексин (от
греч. alexo — защищаю), — обнаружен почти во всех жидкостях организма,
кроме спинномозговой и жидкости передней камеры глаза. Он обладает
способностью лизировать, растворять некоторые бактерии, поэтому его
называют еще а-лизин. Действие комплемента особенно активно проявляется
в присутствии ионов магния и кальция, а также в сочетании с антителами.
Комплемент — сложная система, состоящая из 11 сывороточных
протеинов (С1, С2, СЗ, С4 и т.д.). В результате активации различных
компонентов этой системы происходят важные биологические процессы,
способствующие фагоцитозу.
Пропердин (от лат. perdere — разрушать) был обнаружен Л.
Пиллимером в сыворотке крови. Это белок-глобулин, который в комплексе с
комплементом и ионами магния губительно действует на бактерии и
инактивирует некоторые вирусы. Снижение уровня пропердина в сыворотке
крови человека при инфекционных заболеваниях, облучении и шоке
считается неблагоприятным признаком.
Интерферон
—
белок,
ингибирующий
развитие
вируса.
Он
продуцируется многими клетками млекопитающих при контакте с вирусами.
71
Интерферон
способствует
выздоровлению
при
различных
вирусных
инфекциях. Он неспецифичен и обладает широким спектром действия на
вирусы. Интерферон, образуясь при стимуляции одним вирусом, может
действовать на другие вирусы.
Однако наиболее мощными факторами гуморальной защиты являются
специфические белки — так называемые антитела, которые вырабатываются
организмом при проникновении в него каких-либо чужеродных агентов
(антигенов).
Антигены
Антигены (от греч. anti — против, genos — рождение) — чужеродные
органические вещества, которые при введении в организм вызывают
образование специфических антител, способных вступить в реакцию с
антигенами.
Антигенами
могут
быть
вещества
белковой
природы,
соединения белков, липидов и полисахаридов, микробы и их токсины, клетки
животные сыворотки и др.
Полноценные антигены обладают способностью вызывать образование
антител в организме и вступают с ними в определенное, специфическое
взаимодействие.
Неполноценные антигены не вызывают образования антител в
организме, но они становятся полноценными, если их вводят в состав белка
или они соединяются с белками организма. Среди неполноценных
антигенов различают гаптены и полугаптены. Гаптены — сложные
органические
вещества,
имеющие
небольшую
молекулярную
массу
(полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты). Гаптены не способны
вызвать образование антител, но при наличии готовых антител вступают с
ними в реакцию. Взаимодействие гаптенов и антител можно увидеть в
реакции преципитации. Полугаптены — простые химические вещества
(йод, бром, азокраски, азопротеины), которые в отличие от гаптенов при
72
соединении с готовыми антителами блокируют их, но не дают видимых
проявлений иммунологических реакций.
В природе широко распространены так называемые комплексные
антигены, которые состоят из гаптена, играющего роль специфической
группы, и белка-носителя. Сыворотки и тканевые жидкости животных и
человека, антигены микроорганизмов и растений представляют собой
комплексные антигены.
Обязательным свойством антигена является его растворимость. Только
в растворенном состоянии он может всосаться и вызвать образование
антител.
Антигены
микроорганизмов.
Антигенная
структура
микроорганизмов очень разнообразна. Антигены некоторых микробов,
например сальмонелл, шигелл, эшерихий, хорошо изучены. Об антигенах
других микроорганизмов данных пока недостаточно. У микроорганизмов
различают общие, или групповые, антигены и специфические, или типовые,
антигены.
Групповые антигены являются общими для двух или более видов
микробов, входящих в один род, а иногда относящихся и к разным родам.
Так, общие групповые антигены имеются у отдельных типов рода
сальмонелл: возбудители брюшного тифа имеют общие групповые антигены
с возбудителями паратифа А и паратифа В (0–1,12).
Специфические антигены имеются только у данного вида микроба или
даже только у определенного типа или подтипа внутри вида. Знание
специфических антигенов позволяет дифференцировать микробов внутри
рода, вида, подвида и даже типа внутри рода сальмонелл по комбинаций
антигенов дифференцировано более 1500 типов сальмонелл, а у подвида
шигелл Флекснера — 5 серотипов.
По
локализации
антигенов
в
микробной
клетке
различают
соматические антигены, связанные с телом микробной клетки, капсульные
— поверхностные, или оболочечные, антигены и жгутиковые антигены,
73
находящиеся в жгутиках.
Соматические, О-антигены (от нем. ohne Hauch — без дыхания),
связаны с телом микробной клетки. У грамотрицательных бактерий Oантиген — сложный комплекс липидо-полисахаридо-белковой природы. Он
высокотоксичен и является эндотоксином этих бактерий. У возбудителей
кокковых инфекций, холерных
вибрионов, возбудителей бруцеллеза,
туберкулеза и некоторых анаэробов из тела микробных клеток выделены
полисахаридные
антигены.
Полисахаридные
антигены
обусловливают
типовую специфичность бактерий. Как антигены они могут быть активны в
чистом виде и в комплексе с липидами.
Жгутиковые, Н-антигены (от нем. Hauch — дыхание), имеют
белковую природу и находятся в жгутиках подвижных микробов.
Жгутиковые антигены быстро разрушаются при нагревании и под
действием фенола. Они хорошо сохраняются в присутствии формалина. Это
свойство используют при изготовлении убитых диагностикумов для
реакции агглютинации, когда необходимо сохранить жгутики.
Капсульные, К-антигены, расположены на поверхности микробной
клетки и называются еще поверхностными, или оболочечными. Наиболее
детально они изучены у микробов семейства кишечных, у которых
различают Vi, М, В, L и А-антигены. Важное значение из них имеет Viантиген. При иммунизации человека комплексом О- и Vi-антигенов
наблюдается высекая степень защиты против брюшного тифа. Vi-антиген
разрушается при 60 °С и менее токсичен, чем О-антиген. Он обнаружен и у
других кишечных микробов, например кишечной палочки.
Протективный (от лат. protectio — покровительство, защита), или
защитный, антиген образуется сибиреязвенными микробами в организме
животных и обнаруживается в различных экссудатах при заболевании
сибирской язвой. Протективный антиген является частью
выделяемого
микробом
сибирской
язвы,
и
экзотоксина,
способен
вызывать
выработкуиммунитета. В ответ на введение этого антигена образуются
74
комплементсвязывающие антитела. Защитные протективные антигены
обнаружены также у возбудителей чумы, бруцеллеза, туляремии, коклюша.
Антитела
Антителами называют особые специфические глобулины, которые
образуются в организме под влиянием антитигена. Основным свойством
антител является способность специфически соединяться с антигеном,
который вызвал их образование, и защищать организм от действия
инфекционных агентов. Антитела либо нейтрализуют, обезвреживают
возбудителей инфекционных заболеваний, либо делают их чувствительными
к действию других факторов, например фагоцитов или комплемента
Различают полные, или преципитирущие,
взаимодействии с антигеном дают
антитела, которые при
видимые иммунологические реакции
(агглютинации, преципитации и др.), и неполные (непреципитирующие), или
блокирующие антитела, не дающие видимых реакций при соединении с
антигеном.
По характеру действия на микроорганизмы антитела могут быть
антимикробные, антитоксические, антиклеточные, аутоантитела.
Антимикробные антитела могут склеивать микробов, — тогда они
называются агглютининами. Антитела, осаждающие белковые молекулы или
частички микробов, — преципитины, растворяющие бактерий — лизины,
убивающие бактерий без заметного изменения их форм — бактерицидные
антитела. Антитела, усиливающие фагоцитоз, называются опсонинами или
бактериотропинами. Существуют также вируснейтрализующие антитела и
иммобилизующие антитела, обездвиживающие спирохет.
Антитоксические антитела обезвреживают экзотоксины бактерий.
Антиклеточные антитела дифференцируются на гемагглютинины
(склеивают эритроциты), гемолизины (растворяют, лизируют эритроциты) и
цитотоксины (умерщвляют клетки животных).
75
Аутоантитела вырабатываются организмом против собственных
белков и клеток тканей и органов, при изменении химической структуры
последних или при освобождении антигенов из разрушившихся органов и
тканей.
Циркулирующие антитела обнаруживают в сыворотке крови и
различных жидкостях организма с помощью различных иммунологических
реакций:
агглютинации,
преципитации,
связывания
комплемента,
иммунофлюоресценции. По-видимому, существуют антитела, связанные с
поверхностью клеток (наклеточные), или даже внутриклеточные.
Естественные, или нормальные, антитела обнаруживают у человека, не
болевшего данным инфекционным заболеванием и не иммунизированного
соответствующим
антигеном.
Известны
три
возможных
механизмах
образования.
Первый — наличие некоторого количества естественных антител в
организме является генетически обусловленным, и в этом случае организм
без всякого антигенного раздражения вырабатывает специфические антитела.
Второй — нормальные антитела являются обычными иммунными
антителами, образовавшимися в ответ на попадание незначительных доз
микроорганизма, которые не в состоянии были вызвать заболевание.
Третий — выработка нормальных антител произошла в ответ на
имеющиеся общие групповые антигены пищи и микроорганизма.
Химическая природа антител. Антитела связаны с глобулиновой
фракцией сывороточных белков. В альбуминах их нет. Нормальные
глобулины сыворотки по степени их подвижности в геле при прохождении
электрического тока (электрофоретическая подвижность) делятся на три
фракции: а, в, г. Антитела в значительной части связаны с гаммаглобулиновой
фракцией,
которая
значительно
увеличивается
при
заболевании или иммунизации. При отсутствии у человека гаммаглобулинов (заболевание — агаммаглобулинемия) антитела не выра76
батываются. Активность антител выявляется также в альфа-глобулиновых и
бета-глобулиновых фракциях.
В настоящее время иммуноглобулины делят на 5 классов: М, G, A,
E, D, отличающихся между собой по химической структуре и биологической
функции.
Иммуноглобулины G (IgG) являются наиболее активными и, возможно,
наиболее важными в развитии иммунитета при заболевании. Они имеют
молекулярную массу 160 000, скорость осаждения 7S и содержат до 3%
углеводов. В начале заболевания иммуноглобулинов G мало,
но по мере
развития болезни увеличивается и основная функция борьбы с микробами
выпадает на их долю.
Иммуноглобулины М (IgM) первыми появляются при развитии плода,
после начала заболевания и последними исчезают в старости. Молекулярная
масса их 900000. Они содержат до 10 % углеводов, имеют скорость
осаждения 19 S. Их называют еще макроглобулинами. Естественные, или
нормальные, антитела являются макроглобулинами.
Иммуноглобулины A (IgA) играют важную роль в защите слизистых
оболочек дыхательного и пищеварительного трактов от проникновения
микробов. Они вырабатываются в плазматических клетках, расположенных
преимущественно в подслизистом слое этих слизистых. IgA легко
прикрепляются к клеткам и выделяются на поверхность слизистых.
Иммуноглобулины Е (IgE), или реагиновые антитела, описаны недавно.
Реагины
являются
причиной
возникновения
многих
аллергических
заболеваний, в том числе сенной лихорадки и астмы.
Иммуноглобулины D (IgD) обнаружены в небольших количествах в
сыворотке крови. Биологические функции их еще недостаточно ясны.
Структура
иммуноглобулинов.
Молекула
иммуноглобулина
(мономер) состоит из 4 полипептидных цепей белка: двух тяжелых с
относительной молекулярной массой 60000 и двух легких с молекулярной
массой 20000. Они составляют две пары, в каждую из которых входят одна
77
легкая и одна тяжелая цепи. Как легкие, так и тяжелые цепи имеют
постоянные
участки,
которые
устанавливаются
генотипическим
наследованием. На концах каждая пара имеет переменные участки, которые
меняются специфически в зависимости от антигена. Эти так называемые
активные центры (группы) вступают в специфическую связь с антигеном,
вызвавшим выработку антител. Активные центры антител очень малы. Они
занимают лишь 2% поверхности антитела. Количество таких активных
центров в молекуле антител определяют обычно как валентность антител.
Иммуноглобулины G имеют два активных центра, т.е. они двухвалентны. Молекула их может присоединить к себе две молекулы антигена.
IgA также двухвалентны, но активные центры их расположены так близко
друг к другу, что не могут соединиться с двумя молекулами антигена. Поэтому
они
лишь
блокируют
антиген,
не
давая
видимого
осадка
(преципитата).
Форма и размеры молекул иммуноглобулинов G и М были изучены в
электронном микроскопе. IgG имеют форму вытянутых эллипсов с тупыми
концами, а IgM — форму паучка с 5 ножками.
Специфичность
и
многообразие
антител
определяются
последовательностью расположения аминокислот в концевых участках
тяжелых
и
легких
Последовательность
цепей,
составляющих
молекулу
антитела.
аминокислот
определяет
дальнейший
характер
свертывания полипептидной цепи — так называемую третичную структуру
белка.
Пространственная
конфигурация
активного
участка
молекулы
антитела похожа на мелкую полость, которая (соответствует антигенной
детерминанте, как ключ — отверстию замка.
Динамика
образования
антител.
Количество
и
длительность
сохранения антител в организме зависят от дозы, кратности и способа
введения антигена. При первичном попадании антигена в организм различают две фазы: индуктивную, которая длится от момента введения антигена
78
до появления антителообразующих клеток, и продуктивную, которая
наступает к концу 1-х суток и характеризуется появлением антител. Количество антител быстро нарастает к 4-му дню и достигает максимального
уровня в крови на 7-8-й день. Это количество обычно сохраняется в течение
10-15 дней, а затем постепенно уменьшается к 2-3 месяцам.
При повторном введении в организм того же антигена индуктивная
фаза бывает короче и продукция антител интенсивнее.
Синтез иммуноглобулинов. В иммунном процессе участвуют две
группы
клеток:
1)
антигенвосприимчивые,
компетентные» клетки, которые способны
или
«иммунологически
специфически распознать
антигенные детерминанты; 2) антилензахватывающие клетки, макрофаги и
микрофаги, способствующие обработке или распознаванию антигена.
Группа
клеток
иммунологически
объединяет
иммуноглобулины,—
клетки,
так
компетентных
(иммунокомпетентных)
синтезирующие
называемые
и
В-лимфоциты,
выделяющие
и
клетки,
участвующие в иммунных реакциях клеточного типа, — Т-лимфоциты. Тлимфоциты, или, тимусзависимые клетки, находятся под влиянием тимуса
(вилочковая железа) или имеют тимусное происхождение. В-лимфоциты,
или тимуснезависимые, происходят из клеток костного мозга.
Непременным условием успешного синтеза иммуноглобулинов Влимфоцитами является постоянное взаимодействие их с Т-лимфоцитами.
Механизм этого явления пока неизвестен. При недоразвитии вилочковой
железы В-лимфоциты, даже если их много, неспособны синтезировать
антитела.
Группа антигенов захватывающих клеток производит определенную
обработку
микробов
или
других
антигенов
в
своей
цитоплазме.
Образующиеся мелкие фрагменты антигена, одни или в комплексе с РНК
фагоцита, перемещаются к В-лимфоцитам, стимулируя их к образованию
антител. Стимулированные В-лимфоциты делятся, увеличиваются, проходят
стадию бластов и превращаются в плазматические клетки, способные
79
вырабатывать антитела. Часть этих клеток в дальнейшем становится
клетками «иммунологической памяти», которые при повторном контакте с
антигеном быстро вырабатывают антитела.
Клеточный иммунитет
Клеточные иммунные реакции играют большую роль в антимикробной
защите,
при
аутоиммунных
болезнях,
некоторых
аллергических
заболеваниях, пересадке органов и тканей, а также при раковых
заболеваниях. Клеточные иммунные реакции осуществляются тимусзависимыми лимфоцитами (Т-лимфоцитами), которые делаются чувствительными
(сенсибилизированными) при контакте с антигеном.
Полагают, что после контакта с антигеном на клеточной мембране
лимфоцитов появляются специфические рецепторы, природа которых пока
неизвестна. При взаимодействии чувствительных лимфоцитов с микробами
или клетками, вызвавшими сенсибилизацию, возникает цитолитическая
реакция, которая приводит к гибели микробов или отторжению тканей при
пересадке органов. В случае внутрикожного или накожного введения
антигена
возбудителя,
заболевании,
вызвавшего
Происходит
местное
сенсибилизацию
накопление
организма
лимфоидных
при
клеток,
сопровождающееся воспалительной реакцией (гиперчувствительная реакция
замедленного типа).
Механизм соединения антигена с антителом
В настоящее время предложены две гипотезы, объясняющие механизм
реакции между антигеном и антителом: гипотеза Маррека (теория
«решетки») и гипотеза Полинга (теория «фермы»).
Маррек полагает, что при соединении антигена с антителом их
80
молекулы располагаются в чередующемся порядке, образуя решетчатые
агломераты. Он предложил схему возможных соединений антигена с
антителом. При оптимальных соотношениях антигена и антитела образуются
прочные комплексы, которые, постепенно увеличиваясь в размерах,
становятся видимыми невооруженным глазом. При избытке антигена
образуются мелкие, растворимые, невидимые глазом соединения, так как
каждый активный центр антитела: «заполнен» молекулой антигена. При
избытке антител образующиеся мелкие комплексы также не могут быть
связаны вместе из-за отсутствия антигена в достаточном количестве,
вследствие чего образование больших агломератов отсутствует.
Гипотеза Полинга основана на предположении, что антитела имеют
только две специфические полярные группы (двухвалентны), а антиген
поливалентен, т.е. имеет несколько детерминантных групп. Поэтому при
соединении антигена с антителом образуются агломераты, напоминающие
«фермы». При оптимальных соотношениях антигена и антитела происходит
полное насыщение всех их валентностей, в результате чего образуются
прочные комплексы, выпадающие в осадка. При избытке антигена в зависимости от его количества образуются мелкие или рыхлые агломераты и
выпадение осадка задерживается. При избытке антител многие валентности
их остаются незаполненными и образование комплексов становится
невозможным.
Соединение антигена и антитела не носит характера прочной
химической реакции, поскольку после получения комплекса антиген —
антитело его можно разделить на составные части.
8 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ БЕЗАЗОТИСТЫХ ВЕЩЕСТВ
Анаэробное разложение (брожение) безазотистых веществ
Углерод является одним из важнейших элементов органической жизни
81
и входит в органические вещества. Хотя эти вещества на земной поверхности
составляют очень малую величину по отношению к общей массе земли, они
играют весьма важную роль в природных процессах, так как содержат
огромные запасы скрытой солнечной энергии, накопленной зелеными
растениями.
Все зеленые растения синтезируют органические вещества (белки,
углеводы, жиры) из минеральных, используя энергию солнечного света. Так,
зеленые растения превращают лучистую энергию солнца в скрытую энергию
химических соединений. сновным источником углерода для растений служит
углекислый газ (СО2). В воздухе содержится примерно 0,03 объемных
процента СО2.
Воздух
пополняется
углекислым
газом
при
вулканических
извержениях, сжигании топлива, а также в результате дыхания людей,
животных и растений.
Однако этого количества СО2 было бы недостаточно для развития
растений, если бы в природе не происходил обратный процесс, при котором
углерод органических соединений возвращается в воздух в виде углекислого
газа. В этом процессе активную роль играют микроорганизмы. Они
минерализуют растительные и животные остатки, и СО2 снова выделяется в
атмосферу. К биохимическим процессам распада безазотистых соединений,
вызываемых микроорганизмами, относятся спиртовое, молочнокислое,
маслянокислое брожение и другие виды разложения органических веществ.
Спиртовое брожение. Спиртовым брожением называется процесс
разложения сахара под действием микроорганизмов на этиловый спирт и
углекислый газ по суммарному уравнению:
С6Н12О6 = 2СНзСН2ОН + 2СО2 + 113400 Дж.
Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, а также
мукоровые грибы. Наряду с этиловым спиртом и углекислым газом при
спиртовом брожении образуются побочные продукты, такие, как глицерин и
сивушные масла, смесь бутилового, изобутилового, амилового, изоамилового
82
и других спиртов. Спирт отделяют от сусла перегонкой, а затем очищают
путем фракционной дистилляции.
При
необходимости
увеличения
выхода
сивушных
масел
для
использования в технике в бродящий субстрат добавляют соответствующие
аминокислоты. При подщелачивании среды углекислыми или борнокислыми
солями натрия, калия или углекислого аммония в результате брожения
получают, кроме этилового спирта, уксусную кислоту и глицерин. На одну
молекулу спирта приходятся одна молекула уксусной кислоты и две
молекулы глицерина.
Большинство дрожжей способно сбраживать моносахариды (глюкозу,
фруктозу) и дисахариды (сахарозу, мальтозу). Наиболее подходящая
концентрация сахара в среде для большинства дрожжей 10—15 %;
концентрация менее 10 % неблагоприятна для брожения, а при концентрации
30—35 % сахара оно приостанавливается.
Нормальное брожение протекает в кислой среде (рН 4,0—4,5).
Наиболее быстро этот процесс идет при температуре около 30° С, при 50° С
брожение останавливается.
На спиртовом брожении основано производство спирта и глицерина,
вина и пива. Его используют также в хлебопечении. Накапливающийся в
процессе брожения спирт оказывает вредное действие на дрожжи. В
большинстве случаев брожение прекращается при 12—16 % спирта
(некоторые расы дрожжей могут накапливать 17—20 % спирта).
Для усиления роста дрожжей сусло вначале аэрируют, а затем создают
анаэробные условия, чтобы обеспечить брожение, накопление спирта и
предупредить окисление его в уксусную кислоту, а потом в воду и углекислый газ.
В спиртовой промышленности, пивоварении, а также в хлебопечении
используют различные расы дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Для производства виноградных вин применяют различные расы
винных дрожжей вида Saccharomyces ellipsoides (Saccharomyces vini).
83
Селекцией рас этих дрожжей удается создавать новые сорта вин, повышать
их качество и крепость.
При производстве пшеничного хлеба используют прессованные
дрожжи различных рас. Спирт и углекислый газ, образующиеся при
брожении, разрыхляют тесто, а побочные продукты придают хлебу
своеобразный вкус и аромат.
Молочнокислое брожение. При этом виде брожения молочнокислые
бактерии расщепляют молекулу сахара на две молекулы молочной кислоты:
С6Н]2О6 = 2СН3СНОНСООН + 756000 Дж.
Промежуточными продуктами брожения являются пировиноградная
кислота и водород.
По характеру брожения различают две группы молочнокислых
бактерий.
Гомоферментативные
(типичные)
бактерии
превращают
приблизительно 90 % лактозы в молочную кислоту с ничтожным
содержанием побочных продуктов — углекислого газа или уксусной
кислоты.
Гетероферментативные (нетипичные) бактерии образуют примерно
59 % молочной кислоты и наряду с ней 25 % уксусной кислоты и этилового
спирта и 25 % углекислого газа.
Типичные возбудители молочнокислого брожения представлены
кокковыми или палочковидными формами. Все эти бактерии, гетеротрофы,
неподвижные, не образующие спор, грамположительные, факультативные
анаэробы. К гомоферментативным молочнокислым бактериям принадлежат
следующие:
1. Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis). Бактерии этого
вида располагаются попарно или короткими цепочками, имеют размер в
поперечнике от 0,5 до 1,4 мкм (рис. 8).
84
Рис. 8. Streptococcus lactis.
Оптимальная температура для их роста 30—35° С, в этих условиях
молоко свертывается через 10—12 ч. Молочнокислый стрептококк образует
около 0,8—1,0 %
молочной кислоты. Широко используется в молочной
промышленности для изготовления простокваши, творога, сметаны, кефира,
кислосливочного масла.
2. Сливочный стрептококк (Streptococcus crmoris). Клетки размером
0,6—0,7 мкм, образующие длинные цепочки. Лучше растет при 25—30°С.
Применяется в закваске со Streptococcus lactis.
3. Термофильный стрептококк (Streptococcus termophilus) развивается
при 40—50° С. Кислоты накапливает около 1 %. Используется для
производства простокваши и сыра.
3. Болгарская палочка (Lactobacterium bulgariсит). Клетки размером
4—5 мкм, часто образуют цепочки. Оптимальная температура для роста 40—
45° С. В молоке накапливает 2,7—3,7 % молочной кислоты. Сбраживает
глюкозу, лактозу, сахарозу. Эта бактерия широко распространена, типичный
возбудитель естественного скисания молока в южных районах.
4. Аидофильная палочка (Lactobacterium acidophilum (рис. 9, 10).
Рис. 9. Lactobacterium butgaricum.
Рис. 10. Lactobacterium acidophilum.
85
Этот вид сбраживает глюкозу, сахарозу и мальтозу. Оптимальная температура для развития 40° С. В молоке накапливает 2,2 % и больше молочной
кислоты.
Применяется
для
производства
ацидофильного
молока
и
ацидофильной простокваши. В отличие от болгарской палочки может
приживаться в кишечнике человека и животного;
5. Сырная палочка (Lactobacterium casei). Клетки размером 2—6 мкм.
Сбраживает глюкозу, мальтозу и сахарозу. Хорошо развивается при
температуре около 30°С. Имеет важное значение в сыроделии;
6. Дельбруковская палочка (Lactobacterium delbruckii). Длинная
палочка размером 2—7 × 0,5— 0,8 мкм, располагается короткой цепочкой
или поодиночке. Оптимальная температура развития 45—50° С. Не
сбраживает лактозу. Используется при заводском способе производства
молочной кислоты и приготовлении хлебных заквасок.
К гомоферментативным бактериям относится также Lactobacterium
plantarum — мелкая палочковидная форма, которая легко сбраживает
растительные сахара, в изобилии встречается на поверхности растений и
находит широкое применение при силосовании, а также квашении огурцов и
капусты.
К
гетероферментативным
молочнокислым
бактериям
относится
широко распространенная в природе кишечная палочка (Bacterium coli
aerogenes) — мелкая, грамотрицательная,
неспорообразующая
бактерия
и близкий к ней организм Bad, coli aerogenes. В отличие от Bad. coli Bad. coli
aerogenes неподвижна. При сбраживании Сахаров накапливается наряду с
молочной кислотой янтарная, уксусная кислоты, этиловый спирт, углекислый
газ и водород.
В
практике
имеют
значение
ароматообразующие
стрептококки
(Streptococcus citrovorum, Strept. diaceti ladis), которые, помимо кислот,
создают ароматические вещества (диацетилэфиры). Эти стрептококки
используются при изготовлении сметаны
специфическим ароматом.
86
и кислосливочного масла со
Молочнокислые бактерии в качестве источника азота используют
аминокислоты или пептоны. Эти бактерии очень требовательны к витаминам,
особенно к витамину В2 (лактофлавин). Источником углерода для них служат
моносахариды (глюкоза, галактоза, левулеза), дисахариды (лактоза, сахароза,
мальтоза), пентозы (арабиноза), многоатомные спирты, многоосновные
кислоты и даже белки.
Молочнокислые бактерии широко используют для изготовления
простокваши, кефира, ацидофилина, кумыса, сметаны, кваса, сыров, а также
в хлебопечении, квашении овощей, силосовании кормов, при выделке меховых шкурок и в производстве молочной кислоты.
Пропионовокислое
брожение.
Этот
тип
брожения
вызывают
анаэробные пропионовокислые бактерии, представляющие собой короткие
неподвижные, неспоровые, грамположительные палочки. Оптимальная
температура для' их развития 30—35°С. Эти бактерии легко сбраживают
сахар и молочную кислоту, превращая их в пропионовую и уксусную
кислоты с выделением углекислого газа и воды:
ЗС6Н12О6 = 4СНзСН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О.
Типичный представитель этой группы бактерий Bad. acidi propionici
развивается в молоке и твердых сырах. Некоторые пропионовокислые
бактерии используются для получения витамина В12 в промышленных
масштабах.
Маслянокислое брожение. Это процесс превращения углеводов
(сахаров, крахмала, декстрина, пектинового вещества) и спиртов (маннит,
глицерин) бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной
кислоты, углекислого газа и водорода:
С6Н,2О6 = СН3СН2СН2СООН+2СО2+2Н2+100 800 Дж.
Источником азота для маслянокислых бактерий служат пептоны,
аминокислоты, аммонийные соли и даже молекулярный азот атмосферы.
Кроме основных продуктов брожения, образуются бутиловый и этиловый
спирты, ацетон и уксусная кислота.
87
Описано 25 видов возбудителей маслянокислого брожения. Все они
представляют собой подвижные крупные палочки длиной от 4—5 до 7—12
мкм, при образовании спор приобретают веретенообразную форму,
грамположительные,
анаэробы.
Часто
встречаются
в
почве,
навозе,
загрязненной воде и т. д. Наиболее известны из них следующие:
1. Clostridium pasteurianum — типичная масляно-кислая бактерия,
образует масляную кислоту, углекислый газ и водород (рис. 11).
Рис. 11. Clostridium pasteurianum
2. C. felsineum — сбраживает пектиновые вещества.
3. C. acetobutylicum — сбраживает углеводы с образованием
бутилового спирта.
4. C. saccharobutyricum — переводит углеводы в масляную кислоту и
другие продукты.
Температурный оптимум для развития маслянокислых бактерий 30—
40 °С. Маслянокислое брожение хорошо протекает при нейтральной реакции.
Если оно идет в кислой среде, то накапливаются бутиловый спирт и ацетон.
Масляная кислота сообщает продукту неприятный вкус и запах прогорклого
масла.
Маслянокислые бактерии чувствительны к кислой реакции
среды,
поэтому они могут вызывать порчу силоса и заквашенных овощей, если
молочная кислота накапливается слишком медленно.
Масляную кислоту широко используют в технике. Сложные эфиры ее
отличаются приятным запахом и применяются в качестве ароматических
веществ в кондитерской и парфюмерной промышленности, например ме88
тиловый эфир с яблочным запахом, этиловый эфир с грушевым запахом,
амиловый — с ананасным.
Ацетонобутиловое брожение. В процессе его образуется значительно
больше бутилового спирта и ацетона, чем при маслянокислом брожении.
Брожению подвергаются моносахара, дисахара и крахмал. Возбудитель
ацетонобутилового брожения Clostridium acetobutylicum — подвижная
палочка размером 3,5—5,0 мкм, анаэробная, спорообразующая, часто клетки
ее соединены попарно или в длинные цепочки (рис. 12).
Рис. 12. Clostridium acetobutylicum
В производстве ацетонобутиловое брожение ведут на чистой культуре
бактерий при температуре 37–38 °С в кислой среде. Процесс продолжается
36–40 ч.
Ацетон и бутиловый спирт широко применяют в химической и
лакокрасочной промышленности, а также при производстве синтетического
каучука.
Аэробное разложение
К нему относятся окислительные биохимические процессы, связанные
с дыханием микроорганизмов в аэробных условиях.
Конечными продуктами дыхания часто могут быть не только углекислый газ и вода, но и продукты неполного или частичного окисления ор89
ганических веществ (лимонная кислота, уксусная кислота и т. д.). В природе
эти вещества используют другие микробы и подвергают их дальнейшему
окислению до С02 и Н20. В природных условиях окислению подвержены не
только органические вещества, но и многие неорганические: водород,
сероводород,
аммиак,
закись
железа,
восстановленные
соединения.
Простейшим типом окисления является окисление молекулярного водорода
до воды:
2Н2 + О2 = 2Н2О + 579600 Дж.
Окислительные процессы играют важную роль, особенно в условиях
орошения, где избыток воды часто связан с анаэробными процессами и
накоплением ядовитых соединений (FeO, FeS, MnO, CH4). Мероприятия,
направленные на повышение аэрации, будут способствовать окислению —
переводу FeO в FeО3, H2S в H2SО4 и т. д., т. е. в соединения, не токсичные для
растений.
Окисление этилового спирта в уксусную кислоту. Этот процесс
осуществляется группой уксуснокислых бактерий по уравнению.
СН3СН2ОН + О2 = СНзСООН + Н2О.
Возбудителями являются аэробные бактерии. Среди них встречаются
подвижные и неподвижные. Из рода Acetobacter описан ряд важнейших
видов типичных уксуснокислых бактерий, таких как Acetobacter aceti (рис.
13), Acetobacter pasteurianum, Acetobacter oreeanes schutzenbachii.
Рис. 13. Acetobacter aceti.
90
Бактерии этого рода — грамотрицательные палочки размером от 0,5 до
8 мкм, иногда соединены в цепочки. Спор не образуют. Одни виды бактерий
отличаются от других размерами, различной устойчивостью к спирту,
способностью накапливать в среде большее или меньшее количество
кислоты (от 6 до 11,5 %).
Для промышленного приготовления уксусной кислоты используют
виноградное вино или уксусно-спиртовый раствор (10—12 % спирта и 1 %
уксусной кислоты). Для питания уксуснокислых бактерий в субстрат
добавляют необходимые минеральные соли и витамины. Оптимальная
температура для развития этих бактерий 20—35° С. Многие уксуснокислые
бактерии на субстрате образуют характерные прочные толстые пленки.
Уксуснокислые
бактерии
широко
распространены
в
природе,
встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.
Окисление углеводов до лимонной кислоты. Лимонную кислоту
получают с помощью плесневых грибов Aspergillus, которые широко
распространены в природе и обнаруживаются в самых различных субстратах.
Основным сырьем для производства лимонной кислоты служит
меласса (черная патока). Раствор ее, содержащий около 15 % сахара с
добавлением различных минеральных, солей, в плоских открытых кюветах
засевают спорами гриба. При хорошей аэрации в специальных камерах
процесс продолжается 6—7 дней при температуре около 30°С. Выход
лимонной кислоты составляет 50—60 % израсходованного сахара. При
недостаточном количестве сахара грибы потребляют саму лимонную
кислоту.
В
последнее
время
начинает
внедряться
«глубинный»
метод
культивирования гриба в специальных закрытых емкостях (ферментерах) с
интенсивной аэрацией. Этот метод повышает производительность процесса и
не допускает загрязнения жидкости посторонней микрофлорой.
Лимонную кислоту широко используют в медицине, а также при
изготовлении кондитерских изделий, безалкогольных напитков, в кулинарии.
91
Окисление жиров и жирных кислот. Попадая в почву вместе с
животными и растительными остатками, жиры полностью разрушаются
(гидролизуются) различными микроорганизмами. При этом образуются
глицерин и жирные кислоты. Процесс протекает под действием фермента
липазы при обычной температуре в присутствии воды. Микробов,
выделяющих этот фермент, довольно много. Среди аэробных бактерий он
обнаружен у Bacteria coli, Proteus vulgaris, Bacillus mycoides, Вас. megatherium,
Salmonella,
а
также
у
стафилококков,
пневмококков
и
стрептококков. Наиболее энергично разлагают жиры некоторые пигментные
и флуоресцирующие бактерии (Bad. prodigiosum, Bad. pyocyanerum, Bad.
fluorescens), актиномицеты и плесневые грибы. Из грибов высокой
липолитической способностью обладают Oidium Ictdis, многие виды из родов
Aspergillus и Реnicillium.
Гидролиз жиров микроорганизмами происходит постоянно и играет
существенную роль в общем круговороте веществ в природе.
Получившиеся в процессе гидролиза глицерин и свободные жирные
кислоты постепенно окисляются в почве различными микробами и
превращаются в перегнойные кислоты, углекислый газ и воду.
Окисление углеводородов. Почвенные микроорганизмы используют
эти вещества в качестве источника энергии.
Многие бактерии окисляют бензол, нафталин, кислородные фенолы,
полифенолы и креозолы.
Ксилол, толуол и бензин участвуют в обменных реакциях многих
видов микробов, в частности Pseudomonas и микобактерий.
Существует большая группа микроорганизмов, способных расщеплять
углеводороды нефти. Метан может быть окислен в почве короткой палочкой
Bad. metaniсит с образованием органических соединений и С02. Этой
способностью обладают также Bad. ptjocyaneum, Bad. fluorescens.
Другие микроорганизмы, широко распространенные в почве вблизи
нефтяных скважин, энергично окисляют этан, пропан (Pseudomonas,
92
Propanica), минеральные масла, содержащиеся в нефти и парафине
(Desulfovibrio).
Углеводороды расщепляют не только бактерии, но и многие
актиномицеты и некоторые грибы.
Разложение
целлюлозы
(клетчатки).
Среди
химических
безазотистых веществ растительных остатков относительно медленно
разлагаются
под
действием
микроорганизмов
целлюлоза,
лигнин
и
пектиновые вещества.
В
природе
целлюлоза
под
влиянием
фермента
целлюлозы
превращается сначала в дисахарид целлобиозу, а затем под действием
фермента целлобиазы переходит в глюкозу. Микроорганизмы, разлагающие
клетчатку, распространены больше всего в почве, а также встречаются в иле,
навозе и даже в пищеварительном тракте многих животных.
Типичный
представитель
анаэробных
целлюлозоразлагающих
бактерий Clostridium cellulosae omelianskii (рис. 14).
Рис. 14. Clostridium cellulosae omelianskii: 1 — молодые клетки; 2 — «барабанные
палочки»; 3 — споры.
Впервые она выделена В. Л. Омелянским в 1902 г. Это палочковидная
подвижная бактерия длиной 4—7 мкм при спорообразовании принимает вид
барабанной палочки. В природе встречаются разлагающие целлюлозу
термофильные бактерии: C. thermocellum — небольшая грамотрицательная
спорообразующая палочка и Bacillus cellulosae dissolvens — палочка длиной
93
12 мкм. Оптимальная температура для них 55— 56°С, реакция среды —
близкая к нейтральной.
Из аэробных бактерий, разлагающих целлюлозу, особой активностью
обладают бактерии рода Cytophaga из класса Myxobacteriae. Это длинные
изогнутые грамотрицательные клетки без оболочки.
Из других видов бактерий, активно разлагающих целлюлозу, можно
назвать следующие:
1. Cellvibrio — мелкие, слегка изогнутые палочковидные бактерии с
закругленными
концами,
размером в среднем 1,5 мкм , чаще монотрихи
или лофотрихи, грамположительные. При культивировании на бумаге
образуют желтый пигмент. Оптимальная температура для их развития 28—
30°С. Расщепление клетчатки протекает лучше при нейтральной или
слабощелочной реакции.
2. Cellfacicula— палочка в виде серпа с заостренными концами,
подвижная. При выращивании на фильтровальной бумаге выделяет зеленый
пигмент.
Под влиянием аэробных форм бактерий клетчатка превращается в
студенистое вещество, очень стойкое к действию микробов.
Кроме
бактерий,
разлагать
клетчатку
могут
отдельные
виды
проактиномицетов, актиномицетов (Streptomyces) и грибов (Trichoderma,
Botritis, Aspergillus и др.).
В кислых почвах разрушают целлюлозу главным образом грибы.
В почве при гидролизе клетчатки микроорганизмами образуется гумус.
В пищеварительном тракте травоядных животных до 70% принятой с кормом
клетчатки разлагается микробами, что способствует лучшей переваримости
грубых кормов.
Расщепление лигнина. Лигнин разрушается очень немногими
микроорганизмами,
преимущественно
актиномицетами,
грибами
и
некоторыми бактериями. Из грибов, расщепляющих лигнин в почве, можно
отметить представителей Merulius (рис. 15), Coniphora, Fusarium, Mucor.
94
Рис. 15. Merulius lacrymans.
Расщепление лигнина — всегда результат симбиоза или ассоциации
бактерий. Так как это вещество обладает большой стойкостью, то процесс
его разрушения протекает сравнительно медленно. Поэтому лигнин имеет
тенденцию накапливаться в почве и служит основой образования гумусовых
комплексов.
Распад пектиновых веществ. Пектиновые вещества представляют
собой сложные полисахариды. Они как бы склеивают между собой клетки в
растительных тканях. Их название происходит из-за способности давать
студенистую массу при кипячении (греч. pectos — студнеобразный).
Полное расщепление пектина осуществляется под воздействием
ферментов протопектиназы, пектиназы и пектазы до органических кислот,
спиртов и газа. Пектинолитическими свойствами обладают многочисленные
анаэробные бактерии, плесневые грибы, актиномицеты.
К возбудителям пектинового брожения в анаэробных условиях
относятся спорообразующие подвижные грамположительные бактерии
размером 10—15 мкм. Из них наиболее известны Clostridium pectinovorum и
C. felsineus.
К аэробным бактериям, способным разлагать пектиновые вещества,
принадлежат Bacillus mesenterctis, Pseudomonas fluoresces. Среди плесневых
грибов наиболее активны Aspergillus niger, Penicillium и Botritis cinerea, В.
subtilis (рис. 16).
95
Рис. 16. Bacillus subtilis.
Процесс распада пектиновых веществ широко используется при
выделении из стеблей лубяных растений (лен, конопля, джут и др.) волокон,
идущих на изготовление пряжи. Для разрушения пектиновых веществ
лубяных растений применяют анаэробную водяную мочку.
После разрушения пектиновых веществ связи между лубяными
волокнами и клетками других тканей стебля ослабевают и после
высушивания
легко
отделяются
механическим
путем
(трепанием
и
чесанием).
9 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА
Азот наряду с такими минеральными элементами, как сера, фосфор,
железо, калий и др., является составной частью живой материи. Большой
запас на нашей планете составляет атмосферный молекулярный азот.
Массовая доля свободного азота в сухом воздухе 0,755 (75,5 %), а его
объемная доля — 0,781 (78,1 %). Над каждым гектаром почвы поднимается
столб воздуха, в котором сосредоточено 80000 т молекулярного азота.
Растения не могут усваивать этот азот, однако некоторые почвенные
микроорганизмы
обладают
способностью
с
помощью
фиксировать атмосферный азот и синтезировать белок. Таким
ферментов
образом,
первый этап превращения азота в природе заключается в его фиксации
96
микроорганизмами.
Белковый азот микроорганизмов, так же как и азот растений и
животных, после их гибели минерализуется в почве большой группой
аммонифицирующих
бактерий
до
аммиака.
Поэтому
второй
этап
превращения азота носит название аммонификации.
На третьем этапе аммонийный азот нитрифицирующими бактериями
частично окисляется в нитраты, этот процесс
получил
название
нитрификации.
Наконец, на четвертом этапе нитратный азот некоторыми видами
бактерий при определенных условиях частично восстанавливается до
молекулярного азота — происходит процесс денитрификации.
Фиксация молекулярного азота
Биологическая фиксация азота имеет большое значение в повышении
плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур, а также в
экономии минеральных удобрений. Впервые азотфиксирующий микроорганизм был выделен в чистую культуру Н. С. Виноградским (1893). Это
был анаэробный, спорообразующий, палочковидный азотфиксатор — C.
pasteurianum. Позже, в 1901 г., голландский микробиолог М. Бейеринк
открыл аэробную азотфиксирующую бактерию рода Azotobacter (рис. 17).
Рис. 17. Azotobacter vinelandii.
97
За последнее время способность фиксировать молекулярный азот
выявлена у многих других видов бактерий, многочисленных водорослей и
ряда почвенных грибов.
Известны
две
основные
группы
азотфиксирующих
бактерий:
азотфиксирующих
бактерий
свободноживущие в почве и симбиотические.
Из
свободноживущих
в
почве
наибольший интерес представляют бактерии рода Clostridium и Azotobacter.
C. pasteurianum — крупные толстые палочки длиной 1,5—8,0 мкм с
перитрихально расположенными жгутиками, облигатные анаэробы. После
образования спор клетка утолщается в середине или на конце клетки и
принимает форму веретена. В качестве источника углеродного питания C.
pasteurianum может использовать моносахариды, дисахариды, некоторые
полисахариды и органические кислоты. На 1 г сброженного сахара этот
микроб может связывать до 10—12 мг азота. Бактерии этого рода для
азотного питания могут использовать соли аммония, нитраты, а при
дефиците азота усваивают молекулярный азот.
Способностью фиксировать атмосферный азот обладают и другие виды
рода Clostridium (C. pectinovorum, C. felsineum, C. butyricum).
После
открытия
М.
Бейеринком
аэробного
азотфиксатора
—
Azotobacter chroococcum, связывающего молекулярный азот, был описан ряд
других видов из рода Azotobacter: A. beierinckii, A. agile.
Эти виды имеют много общих признаков, но различаются между собой
по некоторым морфологическим признакам и обмену веществ. Размеры
клеток азотобактера колеблются в пределах 2,0—7,0 × 1.0—2,5 мкм, в
молодом возрасте они палочковидные, подвижные, а затем превращаются в
крупные кокки-, покрываются капсулой и продуцируют пигмент. Меняя
состав среды при выращивании азотобактера, можно вызвать изменение его
морфологии. Все виды азотобактера — аэробы, гетеротрофы. Они могут
ассимилировать азот из солей аммония, нитритов, нитратов и аминокислот, а
при отсутствии связанных форм азота фиксируют молекулярный азот.
98
В качестве источника углерода азотобактер использует различные
сахара
(гексозы,
пентозы),
одноатомные
и
многоатомные
спирты
(метиловый, этиловый, бутиловый, глицерин) и органические кислоты
(уксусную, масляную и др.).
Встречается азотобактер лишь в почвах с рН от 5,8 до 8,5. Оптимальная
температура для его развития 28°С. Если в почве находятся доступные
источники связанного азота, азотобактер использует их, а если этих
источников нет, то он фиксирует молекулярный азот атмосферы. По данным
М. В. Федорова, усвоение свободного азота азотобактером осуществляется
при участии фермента нитрогеноксидазы.
Для нормального роста клеток и фиксации молекулярного азота
азотобактер нуждается в фосфоре, кальции, сере, железе, калии и некоторых
микроэлементах, особенно в молибдене или боре.
В
теле
азотобактера
фиксированный
молекулярный
азот
аккумулируется в виде белковых соединений. Отмирая в почве, клетки
минерализуются, и накопленный в них азот становится доступным
растениям.
Азотобактер синтезирует также ростовые вещества (типа ауксинов),
стимулирующие рост и развитие растений витамины (биотин, инозит,
тиамин, пиридоксин и др.). Особенно активно азотобактер размножается в
высокоплодородных
влажных
почвах,
а
при
дефиците
увлажнения
большинство клеток отмирает.
В последнее время установлено, что многие почвенные микроорганизмы также обладают способностью связывать атмосферный азот. Так,
описаны
азотфиксаторы
из
семейств
Pseudomonadaceae,
Spirilaceae,
Rhizobiaceae, Enterobacteriaceae и др.
Азотфиксирующая способность
установлена и у некоторых ми-
кробактерий, актиномицетов, проактиномицетов и у отдельных грибов.
Функция азотоусвоения широко распространена и среди сине-зеленых
водорослей. К настоящему времени такая способность зарегистрирована
99
почти у 40 видов этих организмов. Это различные виды родов Anabaena,
Nostos, Calothrix и др.
Симбиотическая фиксация азота. Свободный азот атмосферы
связывается
и
представленными
накапливается
их
в
почве
симбиотическими
также
особыми
ассоциациями
бактериями,
с
высшими
растениями. На корнях бобовых растений можно увидеть бородавчатые
круглые вздутия, наполненные белым мутным соком — клубеньки. У гороха,
клевера, вики клубеньки образуются на мелких разветвлениях корней, у
люпинов они находятся на главном корне.
М. С. Ворониным (1865) и М. Бейеринком (1888) было установлено,
что молекулярный азот усваивается живущими в клубеньках бактериями.
Отсюда их и называют клубеньковыми. После выделения клубеньковых
бактерий в чистую культуру М.Бейеринком они были названы Bacillus
radicicola, спустя год А. Пражмовским переименованы в Bacterium radicicola.
Одновременно Франк предложил назвать клубеньковые бактерии Rhizobium.
Этим названием в литературе пользуются до сих пор.
Молодые клубеньковые бактерии имеют форму палочек размером
примерно 0,5—0,9 × 1,2—3,0 мкм, подвижны. Бактерии как в средах, так и в
клубеньках формируют утолщения, разветвленные, грушевидные или
сферические образования, которые значительно крупнее обычных клеток
клубеньковых бактерий (1,2—1,6 × 2,0—4,0 мкм). Такие формы бактерий
получили название бактероидов.
Оптимальная температура для роста клубеньковых бактерий 24—26 °С.
Все
клубеньковые
бактерии
грамотрицательные,
гетеротрофы,
энергетическими источниками для них служат углеводы растений. Азот они
фиксируют из атмосферы. Легко усваивают моносахариды и дисахариды,
хуже — полисахариды. Кроме того, эти бактерии могут использовать в пищу
и многоатомные спирты.
Некоторые представители клубеньковых бактерий при использовании
углеводов образуют слизистые вещества, содержащие стимуляторы роста
100
(биотин). Эти слизистые вещества защищают бактерии от поражения
бактериофагами и служат источниками углерода для некоторых рас
клубеньковых бактерий.
Клубеньковые бактерии могут использовать и различные соединения
азота. Очень благоприятно влияет на их рост нитратный азот, хотя они
способны усваивать аммиачный азот, пептоны и аминокислоты.
Кроме необходимых макроэлементов (фосфор, калий, кальций)
клубеньковые бактерии нуждаются в микроэлементах (железо, молибден,
бор и др.).
У клубеньковых бактерий резко выражена видовая специфичность
(избирательность) по отношению к различным бобовым растениям. Каждому
виду бобовых растений соответствует своя, особая раса бактерий. Микроб,
выделенный из гороха, не приживается на корнях клевера или люцерны, и
наоборот.
В
практике
заслуживают
внимания
шесть
разновидностей
клубеньковых бактерий, специфичных для определенных растений:
1) Rhizobium trifoli — образуют клубеньки на корнях белого, красного и
других видов клевера;
2) R. japonicutn — формирует клубеньки на корнях сои;
3) R. phaseoli — образует клубеньки на корнях фасоли;
4) R. meliloti — живет на корнях люцерны и донника;
5) R. leguminosarum — характерная культура клубеньков корней
гороха, вики, чины и нута;
6) R. lupine — образует клубеньки на корнях люпинов.
Клубеньковые бактерии проникают в ткань корня бобовых растений
через корневые волоски. По мере продвижения по корневому волоску
бактерии окутываются выделяемой ими слизью, образуют длинные слизистые нити или тяжи, напоминающие мицелий гриба. Эти образования
получили название инфекционных нитей. Они глубоко проникают в корни
растений, где бактерии интенсивно размножаются и стимулируют быстрое
101
деление клеток вокруг бактериального очага, что и приводит к образованию
клубенька.
В тканях бобовых растений клубеньковые бактерии размножаются
разными способами: в инфекционных нитях — делением: перегородкой, в
цитоплазме растений— как изоморфным (сходное по форме), так и гетероморфным
(разноформенность)
делением
и
почкованием
(В.
К.
Шильникова, А. А. Авакян, Н. И. Коркина, 1969).
Клубеньковые бактерии могут жить не только в клубеньках бобовых
растений, но и самостоятельно в почве. Иногда удавалось выделить
различные расы этих бактерий из почвы, на которой много лет не выращивали бобовые растения (М. В. Федоров).
На развитие клубеньковых бактерий оказывает влияние реакция почвы.
Так, почвы с рН ниже 6,0 содержат меньше бактерий, чем почвы, близкие к
нейтральным или щелочным. Значительное снижение численности Rhizobium
в почве наблюдается зимой. Весной с повышением температуры почвы
начинается быстрое размножение клубеньковых бактерий.
Многочисленными исследованиями доказано, что у клубеньковых
бактерий биохимические реакции фиксации азота аналогичны азотобактеру.
Клубеньковые бактерии могут накопить за период вегетации 100—200
кг азота на 1 га фиксировать атмосферный азот могут также бактерии,
живущие в клубеньках на корнях лоха, облепихи, сосны, лучистой ольхи и
ряда других растений. Способны к фиксации азота и бактерии, живущие в
узлах листьев некоторых тропических кустарников.
Аммонификация белковых веществ
Почти весь азот, попадающий в почву с растительными и животными
остатками, а также азот гумуса находится в виде органических соединений. В
пахотном слое 1 га различных типов почв связанный азот в виде биомассы
бактерий, грибов, водорослей, насекомых, червей и т. д. составляет от 6 до 18
102
т. Однако растения могут усваивать только минеральные соединения азота.
Азот органических веществ должен быть предварительно превращен в
основном в нитратную и аммиачную, формы, и только затем его смогут
использовать растения. В теле их из азота вновь образуются сложные
белковые соединения.
Превращение
азота
из
органических
соединений
(белков)
в
минеральные называется аммонификацией. Этот процесс осуществляется
различными бактериями, актиномицетами и плесневыми грибами. Аммонификации подвергаются азотсодержащие соединения самой разнообразной
структуры: белки, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты,
амиды, почвенный гумус, фосфатиды, алкалоиды, амины, мочевая кислота и
мочевина. Первым продуктом минерализации органического азота в почве
является аммиак.
Разложение белковых веществ широко распространено в природе и
постоянно протекает в воздухе, воде, земле, а также в органах живых
существ. Оно связано с использованием микроорганизмами белков в качестве
азотного или углеродного питания, а также энергетического материала.
Некоторые микробы продуцируют ферменты эктопротеазы, способные
разрушать белки, в то время как микроорганизмы, не выделяющие
их,
могут воздействовать лишь на продукты распада, например на пептоны,
аминокислоты.
Расщепление
протеолитических
(эктопротеазы).
белков
начинается
с
ферментов, выделяемых
Гидролиз
идет
гидролиза
под
влиянием
микроорганизмами
постепенно
с
образованием
наружу
ряда
промежуточных продуктов. Первичными продуктами его являются пептоны
и полипептиды. Последние расщепляются до аминокислот, которые, в свою
очередь, распадаются до аммиака.
Если аммонификация протекает в аэробных условиях, то конечными
продуктами этого процесса будут аммиак, углекислый газ, вода, сероводород
и соли фосфорной кислоты.
103
В
анаэробных
условиях
не
происходит
полного
окисления
промежуточных продуктов распада аминокислот, поэтому, кроме NH3 и СО2,
накапливаются различные органические соединения, в том числе и ядовитые
— диамины или птомаины.
При аммонификации белка наряду с процессами окисления происходят
восстановительные реакции с образованием иногда фенола, индола и скатола,
которые
обладают
очень
неприятным
запахом.
При
бактериальном
разложении аминокислот, содержащих серу, выделяется сероводород и редко
его производные — меркаптаны— вещества с отвратительным запахом.
Если расщепляются белки, в состав которых входит фосфор, то среди
продуктов распада обнаруживается фосфорная кислота.
Аммонифицирующие бактерии могут быть, спорообразующие и
неспорообразующие, аэробные и анаэробные.
Среди аэробных микробов, способных разлагать белки, наиболее
распространены и активны следующие: Bacteria fluorescens — небольшая
подвижная палочка, образует желто-зеленый флуоресцирующий пигмент;
Bad. prodigiosum — «чудесная палочка», вырабатывает красный пигмент;
Bacillus subtilis — сенная палочка (рис. 18);
2
1
Рис. 18. Bacillus subtilis: 1 — форма палочек; 2 — форма колоний на МПА.
В. mycoides — дает характерные колонии, напоминающие мицелий
гриба (mycoides — грибовидный) (рис. 19);
104
Рис. 19. Bacillus mycoides: 1 — палочки; 2 — колонии на агаре.
В. mesentericus — картофельная палочка; В. megaterium.
Из группы факультативно анаэробных микроорганизмов чаще всего
встречается Proteus vulgaris, очень полиморфная палочка; на питательных
средах она меняет форму и размеры, откуда и получила название Proteus
(мифический бог Протей, сказочные превращения которого были описаны
Гомером в «Одиссее»); B. coli (кишечная палочка), а из анаэробных — В.
putrificus, В. sporogenes и ряд других бактерий. Особенно много в почве
аэробных и факультативно-анаэробных микробов.
Разложение мочевины и цианамида
Мочевина — продукт распада белков в организме животных и
человека, выделяющаяся во внешнюю среду с мочой. В моче человека
содержится около 2 % мочевины, лошадей — около 3, коров — до 5 %.
До 11 % мочевины встречается в продуктах обмена некоторых высших
грибов. Она содержит 47 % азота. Однако азот мочевины становится
доступным для растений только после разложения ее уробактериями и
гнилостными бактериями. Распад мочевины происходит под влиянием
экзофермента уреазы, выделяемого уробактериями. Под его влиянием азот
мочевины освобождается в виде неустойчивой углеаммиачной соли,
разрушающейся до аммиака:
105
уреаза
CO(NH2)2 + 2H2О → (NH4)2CО3;
мочевина
углеаммиачная соль
(NH4)2СО3 → 2NH3 + СО2 + Н2О
Уробактерии относятся к аэробным микроорганизмам. Они хорошо
развиваются в щелочной среде (рН 8,0). По форме эти бактерии бывают
шаровидные и палочковидные. Типичным представителем шаровидных форм
является Planosarcina ureae
— подвижная, спорообразующая сарцина с
множеством, жгутиков.
Наиболее активно разлагают мочевину палочковидные бактерии. Из
них заслуживает внимания Urobacillus pasteuri — длинная подвижная
спорообразующая палочка. Расщеплять мочевину способны в небольшом
количестве и многие гнилостные бактерии, например B. fluorescens (рис. 20).
Рис. 20. Bacteria fluorescens.
Под действием уробактерий цианамид кальция (CaCN2) в почве
превращается в форму, доступную для растений. Разложение проходит в три
этапа: первый гидролиз цианамида, второй — превращение его в мочевину и
третий — распад мочевины до аммиака и углекислого газа:
CaCN2 + 2H2О → H2CN2 + Ca(OH)2 ;
H2CN2 + H2О → CO(NH2)2;
CO(NH2)2 + H2О → 2NH3 + CO2
Накопление аммиака в почве возможно только в том случае, когда
106
углерод и азот находятся в разрушаемом (минерализующемся) веществе в
определенном соотношении. Если в отмерших органических остатках
соотношение
С:N
больше
25,
то
весь
азот
будет
использован
микроорганизмами и вновь превратится в белок бактерий в результате их
интенсивного размножения, а следовательно, NH3 накапливаться в почве
не будет.
Быстрое размножение микробов обусловлено высоким содержанием
энергии в углеродистых соединениях. И только при отношении углерода к
азоту меньше, чем 25:1, микроорганизмы не используют весь азот органических веществ, поэтому аммиак остается в свободном состоянии в почве.
Таким образом, чем больше органические вещества содержат азота,
тем больше аммиака будет накапливаться в почве.
Аммонификация гумуса
Значительное количество связанного азота содержится в почве в виде
гумусовых веществ (перегной). В пахотном слое 1 га дерново-подзолистой
почвы они составляют 70—90 т, чернозема — от 90 до 300 т, а иногда и
больше.
Для
использования
растениями
азота
из
гумуса
необходима
аммонификация гумуса. Минерализация перегнойных веществ происходит
медленно, тогда как свежие органические остатки разрушаются во много раз
быстрее. По данным многих авторов, в зоне умеренного климата за год
микробы разлагают не более 1—3 % общего запаса почвенного гумуса.
Активность микроорганизмов при минерализации гумусовых веществ в
почве в значительной степени зависит от температуры, аэрации, рН,
концентрации
почвенного
раствора,
влажности
и
других
свойств.
Оптимальной для разложения гумусовых веществ является температура 30—
35° С и влажность 60—70 % полевой влагоемкости. Аэрация должна быть
достаточной, иначе из всей микрофлоры почвы будут активными лишь ана107
эробы.
Хорошая
аэрация
способствует
усиленному
разрушению
органических веществ и обеспечивает господство окислительных процессов.
Минерализация органических соединений почвы успешно проходит в
условиях нейтральной и слабокислой реакции при рН 5,0—7,5.
Внесение
активизирует
свежих
органических
деятельность
микробов,
или
а
это
минеральных
приводит
удобрений
к
усилению
интенсивности разложения органических веществ почвы и накоплению
перегноя.
Нитрификация
Окисление аммиачного азота, освободившегося в результате процесса
аммонификации, в нитраты называется нитрификацией.
Это процесс
проходит в два этапа: 1) окисление аммиака в нитриты и 2) окисление
нитритов в нитраты.
Впервые С. Н. Виноградским в 1890 г. была получена чистая культура,
бактерий,
обусловливающих
эти
превращения.
Микроорганизмы,
вызывающие эти два этапа, принадлежат к различным родам и относятся к
автотрофам. На первом этапе аммиак окисляется до азотистой кислоты по
следующему уравнению:
2NH3+3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 663600 Дж.
В этом процессе участвуют нитрозные бактерии, объединенные С. Н.
Виноградским в три рода: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira.
Nitrosomonas (типичный род) — бактерии овальной формы размером
1,0—1,5 мкм, подвижные, не образуют спор, грамотрицательные; они
широко распространены в почве (рис. 21).
108
Рис. 21. Nitrosomonas picture.
С. Н. Виноградский различает пять разновидностей Nitrosomonas (a, b,
с, d, e) по форме и отношению к среде.
К роду Nitrosocystis принадлежат шарообразные бактерии, образующие
крупные зооглеи, окруженные общей капсулой, внутри которой находятся
кокки величиной 1,5—2,0 мкм в диаметре (рис. 22).
Рис. 22. Nitrosocystis oceanus.
Род Nitrosospira включает бактерий спиральной формы, достигающих в
длину 15—20 мкм. В старых культурах нити распадаются на гранулы
кокковидной формы (рис. 23).
109
Рис. 23. Nitrosospira briensis.
По данным М. В. Федорова, представители рода Nitrosospira
развиваются преимущественно в необрабатываемых почвах.
На втором этапе нитрификации азотистая кислота окисляется в
азотную:
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 201600 Дж.
В этом процессе участвуют бактерии рода Nitrobacter — мелкие
палочки длиной 1 мкм, неподвижные, грамотрицательные, спор не образуют.
В качестве источника углерода нитрифицирующие бактерии используют
углерод углекислого газа, а азот — в виде аммиака и нитратов.
Нормальная нитрификация протекает при влажности 40—60 % полной
влагоемкости почвы, достаточном снабжении ее кислородом воздуха, в
слабокислой или щелочной среде (рН 6,2—9,2). Оптимальная температура
для развития нитрифицирующих, бактерий 30—37◦ С.
Нитрифицирующие
бактерии
распространены
почти повсеместно.
Они отсутствуют лишь в очень кислых почвах. Встречаются в изобилии в
хорошо обработанных плодородных почвах.
Денитрификация
Значительное количество нитратов почвы используется зелеными
растениями, частично вымывается водой, частично усваивается почвенными
110
микроорганизмами, превращающими их в белок цитоплазмы. Многие бактерии способны восстанавливать соли азотной кислоты и аммиак до
свободного
азота.
Этот
процесс,
противоположный
нитрификации,
называется денитрификацией.
Денитрификация приводит к снижению содержания азота в почве:
NaNО3 → NaNО2  NH3 → N2
Процесс денитрификации обусловлен не только деятельностью,
микроорганизмов,
но
также
чисто
химической
реакцией
между
аминокислотами и, азотной кислотой, в результате чего также выделяется
азот.
Денитрификация,
связанная
с
жизнедеятельностью
бактерий,
называется прямой денитрификацией, а связанная с чисто химической
реакцией — косвенной.
Прямая денитрификация вызывается факультативными анаэробами,
которые, для питания не нуждаются в готовых азотистых органических
веществах. Переводя нитраты в нитриты, факультативные анаэробы поглощают из этих соединений азот для синтеза белка тела, а углерод усваивают из
безазотистых органических веществ. Для дыхания эти бактерии используют
кислород нитратов вместо молекулярного кислорода.
По типу питания денитрифицирующие бактерии принадлежат к
гетеротрофам. Наиболее активны из этих бактерий следующие:
1. Bacterium deniirificans — маленькая (1,5—3,0 мкм), подвижная, не
образующая спор почвенная палочка, способная восстанавливать только
нитриты до молекулярного азота.
2. B. stutzeri — небольшая (2—4 мкм) бесспоровая, грамотрицательная,
подвижная, постоянно встречающаяся в почве палочка. В анаэробных
условиях она восстанавливает нитраты.
3. B. ftuorescens — подвижная, грамотрицательная, не образующая спор
палочка. При низкой температуре вырабатывает и выделяет во внешнюю
среду
желто-зеленый
пигмент.
Способна
111
восстанавливать
нитраты
до молекулярного азота.
В природе денитрификаторы распространены очень широко: они
постоянно встречаются в почве, навозе, сточных и загрязненных водах,
реках, морях и океанах, в кале животных.
Восстановление
нитратов
до
молекулярного
азота
легко
осуществляется только в анаэробных условиях, поэтому обработка почвы
должна создать благоприятный водно-воздушный режим, который позволяет
заглушать процессы денитрификации.
Как уже было сказано, косвенная денитрификация— это результат
химического взаимодействия между азотистой кислотой и аминокислотами.
Поэтому все микроорганизмы, разлагающие белковые вещества до аминокислот
и
нитратов,
способствуют
этому
процессу.
Косвенная
денитрификация проходит обычно в кислой среде, в связи с этим в хорошо
окультуренных почвах с реакцией, близкой к нейтральной, она не имеет
существенного значения.
10 ПРЕВРАЩЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ, ФОСФОРА И ЖЕЛЕЗА
Превращение серы. Сера находится в почве, как в минеральной, так и
в органической форме. Она входит в состав аминокислот (цистин, цистеин,
метионин), витаминов (тиамин, биотин) и других соединений. Растения
получают серу в основном из почвы в виде сульфатов, но она может
усваиваться и в форме SO2, содержащейся, в атмосфере. В почву сера
поступает в основном с растительными и животными остатками, а также с
минеральными удобрениями, например с сульфатом аммония или гипсом.
Небольшое количество ее летучих соединений (H2S, SО2) попадает в почву из
атмосферы с дождями.
В почве под влиянием различных гетеротрофных анаэробных микробов
сера, из органических веществ переходит в сероводород. Сероводород может
накапливаться в почве и при восстановлении солей серной, сернистой и
112
серноватистой кислот группой десульфофицирующих анаэробных бактерий
из рода Desulfovibrio. Клетки этих бактерий представляют собой изогнутые
палочки с одним полярным жгутиком. Наиболее распространенный вид этого
рода
—
Desulfovibrio
desulfuricans.
В
хорошо
аэрируемых
почвах
сероводород быстро окисляется в серную кислоту.
Процесс
окисления
сероводорода
необходим
для
дыхания
серобактерий. Превращение сероводорода в соли серной кислоты происходит
в две фазы. Серобактерии окисляют сероводород сначала до воды и серы,
которая откладывается в цитоплазме микробов в виде полужидких капель и
служит запасным питательным веществом:
2H2S + O2 = 2H2Q + S2 + 525000Дж.
Во второй фазе, при недостатке сероводорода в среде, отложенная сера
окисляется до серной кислоты:
S2 + 3O2 + 2H2O =2H2SO4 + 1234800 Дж.
Серобактерии широко распространены в природе, их много в серных
источниках, стоячих водоемах и в почве. Серобактерии можно найти везде,
где идет разложение растительных и животных остатков, сопровождающееся
выделением сероводорода. Эти
бактерии
относятся к аэробам, а по типу
питания — к автотрофам. Они способны ассимилировать углекислый газ,
используя химическую энергию, которая выделяется в результате окисления
сероводорода до серы и дальше до серной кислоты.
Серобактерии делят на две группы — бесцветные и пурпурные. К
бесцветным принадлежат нитчатые бактерии трех родов: Beggiatoa, Thioploca, Thiotrix. К роду Beggiatoa относятся бактерии, имеющие вид длинных
нитей, свободно плавающих и достигающих в длину 1 см и более. Эти нити
впоследствии распадаются на короткие членики, каждый из которых в
благоприятных условиях вырастает новую нить.
К роду Thioploca относятся подвижные бактерии, похожие на бактерии
рода Beggiatoa, но их нити окружены слизистой массой.
Серобактерии рода Thiotrix также имеют форму длинных нитей, но
113
они неподвижны, обычно прикрепляются к подводным камням или стеблям
слизистыми подушечками, имеющимися на концах нитей. Размножаются при
помощи подвижных гонидий, отделяющихся от свободного конца нити.
Пурпурные бактерии содержат в клетках пигмент бактериопурпурин,
придающий им красную окраску различных оттенков. К этим бактериям
относятся виды, имеющие форму кокков, палочек и спирилл.
На свету пурпурные бактерии не нуждаются в кислороде воздуха и
хорошо развиваются в анаэробных условиях. Благодаря пигментам они
способны к фотосинтезу.
При
отсутствии
света
пурпурные
серобактерии
ассимилируют
углекислый газ по типу бесцветных серобактерий путем окисления
сероводорода, но при доступе кислорода.
К
пурпурным
серобактериям
относится
род
Chrotnatium.
Представители этого рода имеют крупные овальные клетки, в которых
откладываются капельки серы. Один из представителей этого рода — C.
okeani — относительно крупный организм (10— 15 мкм в длину и 5 мкм в
ширину) способен быстро двигаться с помощью жгутика.
После открытия в 1888 г. С. Н. Виноградским серобактерий
дальнейшие
исследования
показали,
что
существует
иная
группа
автотрофных организмов, также способных окислять соединения серы,
однако резко отличающихся по своей физиологии от нитчатых и пурпурных
серобактерий. Эту группу называют тионовыми бактериями. Они не
откладывают серу внутри клеток и представляют собой мелкие подвижные
неспорообразующие грамотрицательные палочки размером 0,5—1,0 мкм.
Для синтеза органических соединений тионовые бактерии используют
углерод углекислого газа (С02) и бикарбонатов. Представители этого рода в
основном являются хемоавтотрофами, которые живут за счет энергии,
получаемой при окислении неорганических соединений серы.
Основными морфологически близкими представителями этой группы
являются Thiobacillus thioparus и T. thiooxidans. Они встречаются в изобилии
114
в иле, почвах, содержащих серу, в морской воде, сточных водах, болотах,
серных источниках. T. thioparus почти повсеместно распространен в
щелочных и нейтральных почвах и отсутствует в сильнокислых.
T. thiocxidans в аэробных условиях окисляет серу в серную кислоту. Он
отличается от всех живых организмов способностью продуцировать эту
кислоту в очень высоких концентрациях (5%).
Тионовые бактерии широко распространены в почвах, удобренных
серой, или в тех почвах, где возможно накопление серных соединений
естественным путем. Это свидетельствует о том, что такие бактерии играют
большую роль в окислении серы и ее соединений в почвах.
Серная кислота, образующаяся при сульфофикации, не только
превращает серу в доступную для растений форму, но и растворяет в почве
труднодоступные соединения фосфора, калия, кальция, магния, марганца и
др.
В
затопляемых
почвах
при
недостатке кислорода происходит
десульфофикация, которая уменьшает количество сульфатов в почве.
Превращение фосфора. Фосфор входит в состав белков, липоидов,
клеточного ядра, участвует во всех ферментативных реакциях, связанных с
фосфорилированием углеводов, белков и жиров.
Запасы фосфора в почвах огромны. По данным Д. Н. Прянишникова, в
пахотном слое (0—20 см) 1 гa они составляют 3—5 т. Особенно много
фосфора (5— 6 т на 1 га) в черноземах, богатых гумусом. Между тем низкая
урожайность
сельскохозяйственных
растений
чаще
всего
связана
с
недостатком фосфора, так как в почве он в основном находится в
неусвояемой и труднорастворимой форме. Круговорот его заключается в переходе
органических
минеральных
веществ
соединений
(фосфат
в
минеральные
кальция,
и
трифосфат
нерастворимых
железа)
—
в
растворимые.
Главным источником фосфора для растений в природных условиях
служат соли ортофосфорной кислоты. Использование фосфора растениями
115
регулируется химическими и в особенности биологическими факторами.
Растворение
фосфора,
как
и
минерализация
фосфорорганических
соединений, обусловливается микроорганизмами, которые превращают
фосфорсодержащие вещества в доступные для питания растений формы.
Минерализация фосфорорганических соединений происходит, под
влиянием гнилостных микроорганизмов. Наиболее активными микробами,
способными использовать фосфор и освобождать его из органических веществ, являются Bacillus megatherium var. phosphaticum, В. mesentericus, В.
subtilis. Некоторые грибы также разлагают органические соединения с
освобождением фосфора: Aspergillus, Penicillium и др.
Способность
соединений
микробов
фосфора
вызывать
применяется
в
минерализацию
практике
при
органических
использовании
бактериального, препарата под названием «фосфоробактерин».
В результате расщепления органических веществ, содержащих фосфор,
образуется фосфорная кислота, которая сразу же связывается основаниями
почвы и переходит в труднорастворимые соли кальция, магния и железа. Эти
соли
кислотообразующие
бактерии
переводят
в
растворимые
соли
фосфорной кислоты.
Деятельное участие в этом процессе принимают нитрифицирующие
бактерии, серобактерии, В. mycoides и ряд других микроорганизмов,
образующих кислоты, способные растворять фосфаты. Например, В. mycoides
при аммонификации белка выделяет большое количество углекислого газа.
Общая продукция его в пахотном слое 1 га почвы за период вегетации
достигает 7,5 млн. л, каждый килограмм почвы в течение года соприкасается
с 2,5 л СО2. Реакции освобождения фосфора в почве из плохо растворимых
соединений под влиянием кислоты протекают по следующим схемам:
Са3(РО4)2 + 2СО2 + 2Н2О = 2СаНРО4 + Са(НСО3)2;
Са3(РО4)2 + 4НN3 = Са(Н2РО4)2 + 2Са(NО3)2
Ca3(PО4)2 + 2H2SО4 = Ca(H2PО4)2 + 2CaSО4
Превращение железа. Железо широко распространено в природе. Оно
116
содержится в органических и минеральных соединениях. При окислении
микробами органических веществ, содержащих железо, образуются растворимые или нерастворимые соли этого элемента.
Минерализация веществ, в которые входит железо, осуществляется
множеством
видов
гетеротрофных
бактерий
(протеолитические
и
аммонифицирующие), способных разрушать органические соединения.
В 1888 г. С. Н. Виноградский доказал, что в природе существует особая
группа
автотрофных
микроорганизмов,
получившая
название
железобактерий, для дыхания которых закисные соли железа служат
источником
энергии.
Они
поглощают
из
окружающей
среды
растворимые в воде закисные соли углекислого железа и превращают их в
гидрат окиси железа. Реакция протекает по уравнению:
2FeCО3 + 3H2О + 1/2О2 = 2Fe(OH)3 + CО2 + 121800 Дж.
Гидрат окиси железа накапливается у них в слизистых влагалищах и
после отмирания бактерий служит материалом для образования болотных и
озерных руд.
Железобактерии в большом количестве встречаются в прудах, озерах,
болотах, а также в железистых источниках. Из группы железобактерий
наиболее важное значение имеют нитевидные формы, покрытые общим
слизистым влагалищем. Во влагалище постепенно обкладывается гидрат
окиси железа, окрашивающий нить в бурый цвет. Масса отложенного
Fe(OH)3 нередко превосходит массу самой бактерии.
При разрушении оболочек свободные бактериальные тела принимают
форму палочек размером 3—8 мкм. Вначале они подвижные — лофотрихи,
затем теряют жгутики и превращаются в неподвижные гонидии. К этой
группе бактерий относятся Leptothrix, Cladothrix, Crenothrix, Chilamydothrix.
Ко второй группе железобактерий, представляющих значительно
меньший интерес, принадлежат одноклеточные бактерии рода Gallionella,
имеющие форму слегка изогнутых палочек. Крупные формы могут достигать
в длину 1000 мкм.
117
11 СИНТЕЗ МИКРООРГАНИЗМАМИ
БЕЛКА И БИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Синтез
образовывать
аминокислот
различные
и
белка.
ценные
Способность
биотические
аминокислоты, витамины, антибиотики,
микроорганизмов
вещества,
ферменты,
такие
гормоны,
как
была
известна давно.
В последние годы большое внимание привлекают аминокислоты,
необходимые для синтеза белка. Ранее их получали гидролизом продуктов,
содержащих белковые вещества, на что затрачивалось огромное количество
ценного пищевого сырья. Вырабатывают аминокислоты и с помощью
сложного и дорогого химического синтеза. Однако при этом часто
получаются препараты, непригодные для многих биологических объектов. В
настоящее время разработаны микробиологические способы производства
ряда аминокислот для кормовых и пищевых целей. Микробный синтез таких
аминокислот, как глутаминовая, лизин, валин, изолейцин, представляет
собой
важную
и
быстро
растущую
область
микробиологической
промышленности.
Первой кислотой, полученной, микробиологически промышленным
путем, была глутаминовая; Японский ученый Киносита и его сотрудники
нашли ауксотрофный (лишенный некоторых ростовых веществ) микроорганизм, получивший название Micrococcus glutamicum, который выделял в
питательную среду глутаминовую кислоту в количестве, превышающем 50 %
использованной глюкозы. Этим методом в Японии, США и других странах
на специальных заводах вырабатывают этой кислоты сотни тысяч тонн в год.
Одновременно другими исследователями описаны способы производства
глутаминовой кислоты с помощью других видов микробов: Bacillus
mesentericus, В. megatherium. В. subtilis, Bacteria coli, Pseudomonas fermentans
и др. Среди грибов, актиномицетов и дрожжей также были найдены формы,
118
синтезирующие глутаминовую кислоту.
Глутаминовая кислота занимает ведущее место в обмене веществ, в
построении белков и других биологически активных компонентов клетки,
тканей и органов. Она широко используется в пищевой промышленности как
средство,
улучшающее
вкусовые
качества
пищи.
В
определенных
концентрациях глутаминат натрия придает вкус куриного мяса немясным
продуктам. Глутаминовую кислоту применяют почти во всех странах мира
для улучшения вкусовых качеств различных блюд (мясных, овощных,
крупяных и т. д.). Она широко используется и в медицине.
Лизин — одна из наиболее важных и дефицитных аминокислот,
используемых для построения белков. Добавление 2,1 кг синтетического
лизина на 1 т корма увеличивает привесы свиней в среднем на 13,6 % и
снижает затраты протеина до 20—25 %. Эта кислота служит обязательным
компонентом сбалансированного рациона в кормлении животных. Низкая
питательная ценность растительных белков объясняется главным образом
недостатком лизина. Биологическая ценность, например, пшеницы, может
быть значительно повышена добавлением лизина в пищевые продукты или
корма из нее.
По
данным
японских
специалистов,
наиболее
активными
продуцентами лизина среди не образующих спор бактерий являются Bacteria
aerogenes, Bad. proteus; среди спороносных — В. subtilis и среди дрожжей
Тогиla utilis. В лаборатории Киносита (Kinochita и др., 1958) были получены
многочисленные варианты от Micrococcus glutamicus при воздействии на
него ультрафиолетовыми лучами. Некоторые варианты этого микроба при
определенных условиях культивирования выделяли повышенное количество
лизина, что позволило использовать их в промышленности для производства
этого препарата. В настоящее время эта аминокислота вырабатывается
микробиологическим путем в Японии, США и в других странах мира
десятками тысяч тонн в год.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и
119
селекции промышленных микроорганизмов селекционным путем получен
такой микроорганизм, который способен синтезировать лизин в 400 раз
интенсивнее, чем обычный дикарь (микроорганизм, найденный в природных
условиях).
Исследования показывают, что среди микроорганизмов имеются
активные продуценты валина, метионина, триптофана, аланина и других
аминокислот, представляющих большой теоретический и практический
интерес.
Ведущая роль в жизненных проявлениях принадлежит белкам. Однако
проблема белкового питания — одна из наиболее сложных. Широчайшие
возможности для производства протеина открывает выращивание простейших организмов на непищевом сырье.
Выращивание дрожжей для получения белка было организовано в
нашей стране еще в годы Великой Отечественной войны. Однако
производство их сдерживается высокой стоимостью (350 руб. за 1 т), так как
на 1 кг сухого вещества дрожжей идет не менее 2,2 кг сахара, а на 1 кг
протеина — 3,7—3,8 кг сахара (И. С. Попов, 1964).
Для удешевления микробного белка и получения его в больших
количествах давно привлекали внимание такие дешевые и доступные
источники энергии, как нефть и различные отходы нефтеперерабатывающей
промышленности. Позднее выяснилось, что многие бактерии и дрожжи
способны жить и активно размножаться в нефти, используя парафины.
В нашей стране уже ведутся работы по выращиванию дрожжей на
некоторых продуктах нефти; получаемый при этом белково-витаминный
концентрат (БВК) содержит 45—50% белка и 50—55% жиров, углеводов,
минеральных солей и витаминов. Вредных примесей в препарате нет,
неприятного запаха он не имеет. БВК используется в качестве корма.
Дрожжевые грибы рода Candida в ферментаторе емкостью 300 м3
способны за сутки накопить до 1 т переваримого белка. Чтобы произвести
такое количество протеина, потребуется занять кормовыми культурами не
120
менее 3 тыс. га и к тому же получить белок худшего качества. Капитальные
затраты на производство 1 т дрожжевого белка в микробиологической
промышленности почти втрое меньше, чем в растениеводстве. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте биосинтеза белковых веществ в
настоящее время исследуются вопросы использования микробного белка в
качестве обогащающих добавок к пищевым продуктам.
Образование витаминов и ростовых веществ. В переводе с
латинского Vita amine означает жизненный амин. Микроорганизмы
нуждаются в витаминах. Микробы, синтезирующие сами необходимые
витамины, называются ауксотрофами. Микроорганизмы, которые не могут
развиваться, если в питательной среде отсутствует тот или иной витамин или
несколько витаминов, называются ауксогетеротрофами.
Витамины усиливают рост микробных культур, отсюда и возникло
название
«ростовые
вещества».
Многие
микроорганизмы
способны
образовывать в избытке и выделять в среду витамины. На основании этого
микробиологический синтез сейчас широко используется в промышленном
производстве некоторых витаминов.
В последнее время мировое микробиологическое производство
витамина B!2 (цианкобаламин) приняло огромные масштабы. Витамин В12
практически не встречается в высших растениях и является специфическим
продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Этот витамин — один из
наиболее важных факторов роста. Кроме того, его широко используют в
медицине при некоторых заболеваниях (анемия, лучевая болезнь и др.).
Биосинтез витамина В12 осуществляется специальными микробами, к
которым могут быть отнесены актиномицеты Actinomyces olivaceus, A.
griseus, A. aurefaciens, а также бактерии Bacillus megatherium, Lactobacterium
casei и пропионовокислые. Промышленное значение имеют культуры A.
olivaceus и Propionobaterium hermanii.
Витамин
В2
восстановительных
(рибофлавин)
реакциях.
участвует
Отсутствие
121
его
в
в
пище
окислительноприводит
к
заболеваниям. Наиболее известными продуцентами рибофлавина являются
Eremothecium ashbii, Ashbia gosipii, Clostridium acetobutilicum, некоторые
штаммы Candida и Myxobacterium. Витамин В2 служит ростовым веществом
для молочнокислых и пропионово-кислых бактерий, без него они плохо
развиваются.
Микроорганизмы также синтезируют и витамины В, (биотин), В 6
(пиридоксин), никотиновую кислоту (витамин РР), парааминобензойную
кислоту и др.
Много продуцентов биологических веществ известно и среди грибов.
Так, тиамин обнаружен в культурах Aspergillus niger, Penicillium glaucum,
Fusarium, в культурах многих дрожжей: Torula utilis, Endomyces vernalis и др.
У многих грибов найден рибофлавин, биотин, пантотеновая, никотиновая
кислоты, витамин С, витамин К и другие вещества. Биологические соединения также выявлены у микоризных грибов и водорослей.
Усиливает рост растений гетероауксин (р-индолил-уксусная кислота).
Впервые этот препарат был получен из культуры гриба Rizopus. Он также
обнаружен в тканях высших растений и культурах многих грибов.
Большой интерес у исследователей вызвали соединения высокой
физиологической активности — гиббереллины как стимуляторы роста и
развития
растений.
Гиббереллины
—
продукты
жизнедеятельности
фитопатоген-ного гриба Gibberella fufikuroi (конидиальная стадия Fusarium
monilifarme). Впервые этот гриб описан в Японии Курозавой как возбудитель
заболевания риса. Характерный признак этой болезни — чрезмерное удлинение пораженных растений, а затем пожелтение и отмирание. В настоящее
время соединения гиббереллина получают микробиологическим путем.
В практике растениеводства иногда требуются вещества, угнетающие
развитие растений, например для борьбы с сорняками. Для этого применяют
специальные виды микроорганизмов, вырабатывающих гербициды (лат.
herba — трава, caedo — убиваю), которые задерживают рост растений.
Антибиотики. Изучение явлений антагонизма в жизнедеятельности
122
микроорганизмов привело к открытию антибиотиков. Антибиотики (греч.
anti — против, bios — жизнь) — органические
соединения, образуемые
микробами и обладающие способностью в незначительных концентрациях
тормозить рост других микроорганизмов (бактериостатическое действие) или
убивать их (бактерицидное действие). Некоторые антибиотики могут
растворять (лизировать) микробные клетки. По химической природе они
очень разнообразны.
Характерное свойство всех антибиотиков — их избирательное
действие на микроорганизмы. Одни антибиотики активны в отношении
определенных видов грибов, другие — в отношении тех или иных видов
бактерий.
Механизм действия антибиотиков еще недостаточно изучен. Обобщая
разнообразные высказывания по этому вопросу, можно сделать вывод о том,
что, адсорбируясь микробной клеткой, они нарушают в ней обмен веществ,
изменяют процессы дыхания и усвоения необходимых для жизни материалов
в связи с повреждением ферментной системы. Нарушается размножение
микробов, прекращается клеточное деление.
В естественных условиях наблюдается приспособление микроба к
антибиотикам
и
образование
устойчивых
форм.
Разистентность
микроорганизмов к антибиотикам возникает обычно при длительном
контакте с невысокими дозами антибиотических веществ. Процесс образования устойчивых форм микроорганизмов еще не полностью раскрыт. Ряд
исследователей
считают,
что
устойчивые
к
пенициллину
микробы
вырабатывают фермент пенициллиназу, разрушающую пенициллин. Такого
типа ферменты образуются и против других антибиотиков.
Познакомимся с наиболее известными антибиотиками:
Пенициллин — антибактериальное вещество, выделяемое плесневым
грибом рода Penicillium. Для получения антибиотика гриб выращивают на
специальных жидких питательных средах при 20—24° С, где по мере его
размножения в течение 5—6 дней накапливается пенициллин. Питательную
123
жидкость отфильтровывают от гриба, подвергают специальной обработке и
химической очистке. Впервые пенициллин был выделен в 1928 г. английским
ученым А. Флемингом. В СССР он был получен З. В. Ермольевой в 1942 г.
Из группы антибиотиков, получаемых из актиномицетов, наиболее
эффективными являются: стрептомицин, который продуцируется Actinomyces
globisporus streptomycin и обладает свойством подавлять рост многих
микроорганизмов; биомицин, получаемый при выращивании культуры
Actinomyces aureofaciens, угнетающий рост многих грамположительных и
грамотрицательных микробов; террамицин, продуцируемый; Actinomyces
rymosus; хлормицетин, выделяемый Actinomyces venezuelleae.
К антибиотикам, выделяемым бактериями, относятся: грамицидин,
бацитрацин, полимиксик, субтил и н. Их действие на многие болезнетворные
микробы
слабее,
чем
антибиотиков
грибного
и
актиномицетного
происхождения. В настоящее время описано более 1000 антибиотиков
микробного характера. Некоторые применяют в медицине и ветеринарии для
борьбы с инфекционными заболеваниями, а также в растениеводстве.
В практике имеются случаи удачного использования антибиотиков для
оздоровления почвы, лечения растений, пораженных инфекционными
заболеваниями, как стимуляторов роста. Они эффективны в борьбе с бактериальной пятнистостью помидоров и фасоли, мокрой гнилью картофеля,
стеблевой ржавчиной злаковых. Замачивание семян сахарной свеклы в 3%ном растворе стрептомицина защищает корни от загнивания. Антибиотик
гризеофульвия в значительной степени подавляет развитие серой гнили на
землянике, мучнистой росы на клубнике и огурцах.
Одни антибиотики активизируют рост корневой системы, другие
влияют только на надземные части, третьи обладают общим стимулирующим
действием на растения, увеличивая прирост растительной массы на 15— 30%
по сравнению с контролем.
Способы обработки растений растворами антибиотиков различны:
семена опрыскивают или пропитывают раствором антибиотика перед
124
посевом, рассаду погружают корнями в раствор, листья и стебли молодых
древесных саженцев смачивают растворами, а для дезинфекции почвы
препараты вносят непосредственно в нее.
Ферменты. К биологически активным веществам относятся ферменты
(энзимы),
вырабатываемые
живыми
клетками.
Чрезвычайно
богаты
ферментами различные микроорганизмы. Некоторые из них используются
для
промышленного
получения
энзимов.
Ферменты
микробного
происхождения применяют более чем в 25 отраслях промышленности.
Например, фермент амилазу широко используют в спиртовом, дрожжевом и
пивоваренном производствах для осахаривания заторов (сбраживаемая
жидкость), в хлебопечении с целью улучшения качества хлеба, а также в
медицине, текстильной и бумажной промышленности. Наиболее активными
продуцентами амилаз среди грибов являются Aspergillus niger, Aspergillus
oryzae, а среди бактерий Bacillus subtilis, В. diastaticus.
Протеолитические
ферменты
(протеазы)
гидролизуют
белковые
вещества. Для промышленного получения этих ферментов используют
активные штаммы В. subtilis. В больших количествах их вырабатывают и
плесневые грибы: Aspergillus flavum, Aspergillus wentii, Mucor delamar и др.
Протеазы
применяют
в
пивоварении,
хлебопечении,
кожевенной
промышленности для смягчения кож, в текстильной — для удаления
белковой шлихты. Протеолитические ферменты имеют большие значение и в
медицинской промышленности, в производстве лечебных препаратов и для
диагностики возбудителей инфекционных заболеваний. Широко используют
в
народном
хозяйстве
также
пектолитические,
цитолитические,
окислительные и другие ферменты микробного происхождения.
125
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ассонов, Н. Р. Микробиология: учебник [Текст] / Н. Р. Ассонов. – 4-е
изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 2005.
2. Большой практикум по микробиологии [Текст] / Под ред. Г. Л.
Селибера. – М., 1962.
3. Бабьева, И. П. Практическое руководство по биологии почв [Текст] /
И. П. Бабьева, Н. С. Агре. – М.: Наука, 1971.
4. Вирусология [Текст] / Под ред. Б. Филсца, Д. Найпа. – в 2-х т. – М.:
Наука, 1989.
5. Воробейков, Г. А. Микроорганизмы, урожай и биологизация
земледелия [Текст] / Г. А. Воробейков. – СПб., 1998.
6. Гусев, М. В. Микробиология: учебник для вузов [Текст] / М. В.
Гусев. – 4-е изд., – М.: Академия, 2007.
7. Добровольская, Т. Г. Структура бактериальных сообществ почв
[Текст] / Т. Г. Добровольская. – М., 2002.
8. Елинов, Н. П. Химическая микробиология [Текст] / Н. П. Елинов. –
М.: Высшая школа, 1989.
9. Емцев, В. Т. Микробиология [Текст] / В. Т. Емцев, Е. Н. Мишустин.
– М., 1994.
10. Емцев, В. Т. Микробиология [Текст] / В. Т. Емцев, В. К.
Шильникова. – М., 1990.
11. Емцев, В. Т. Микробиология, гигиена, санитария в животноводстве
[Текст] / В. Т. Емцев, Г. И. Переверзева, В. В. Храмцов. – М., 1985.
12. Емцев, В. Т. Микробиология: учебник для вузов [Текст] / В. Т.
Емцев, Е. Н. Мишустин – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2005.
13. Заварзин, Г. А. Введение в природоведческую микробиологию
[Текст] / Г. А. Заварзин, Н. Н. Колотилова. – М., 2001.
14. Звягинцев, Д. Г. Почва и микроорганизмы [Текст] / Д. Г. Звягинцев.
– М.: Изд-во МГУ, 2007.
126
15. Зенова, Г. М. Практикум по биологии почв [Текст] / Г. М. Зенова,
А. Л. Степанов, А. А. Лихачева. – М., 2002.
16. Королева, Н. С. Очерки о нейтрофиле и макрофаге [Текст] / Н. С.
Королева, В. Ф. Семенихина. – Новосибирск: Наука, 1989.
17. Королева, Н. С. Санитарная микробиология молока и молочных
продуктов [Текст] / Н. С. Королева, В. Ф. Семенихина. – М.: Пищевая
промышленность, 1980.
18. Методы изучения микроорганизмов и их метаболитов [Текст] / Под.
ред. Н. А. Красильникова. – М., 1966.
19. Методы почвенной микробиологии и биохимии [Текст] / Под. ред.
Д. Г. Звягинцева. – М., 1966.
20. Микробиология [Текст] / Под ред. А.А.Воробьева. – М., 1994.
21. Микробиология продуктов животного происхождения [Текст] / Г.
Д. Мюнх, Х. Заупе, М. Шрайтер / Пер. с нем. – М.: Агропромиздат, 1985.
22. Мишустин, Е. Н. Клубеньковые бактерии и инокуляционный
процесс [Текст] / Е. Н. Мишустин, В. К. Шильникова. – М.: Наука, 1973.
23. Определитель бактерий Берджи [Текст] / Под. ред. Дж. Хоулта, Н.
Крига, П. Снита. – 9-е изд., в 2-х томах. – М., 1997.
24. Руководство к лабораторным занятиям по микробиологии [Текст] /
Под ред. Л. Б. Борисова. – М., 1984.
25. Руководство к практическим занятиям по микробиологии [Текст] /
Под. ред. Н. С. Егорова. – 3-е изд. – М., 1995.
26. Руководство по контролю качества питьевой воды [Текст] //
Гигиенические критерии и другая релевантная информация. – т. 27. –
Женева: ВОЗ, 1987.
27.
Савельева,
О.
В.
Проблемы
экологии
и
физиологии
микроорганизмов [Текст] / О. В. Савельева, И. Б. Котова, А. И. Нетрусов. –
М.: Диалог, 2000.
28. Скворцова, И. Н. Методы идентификации и выделения почвенных
бактерий [Текст] / И. Н. Скворцова. – М., 1981.
127
29. Современная микробиология: Прокариоты: в 2-х т. [Текст] / Пер. с
англ. / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древиса, Г. Шлегеля. – Т. 1. – М.: Мир, 2005.
30. Современная микробиология: Прокариоты: в 2-х т. [Текст] / Пер. с
англ. / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древиса, Г. Шлегеля. – Т. 2. – М.: Мир, 2005.
31. Теппер, Е. З. Микроорганизмы рода Nocardia и разложение гумуса
[Текст] / Е. З. Теппер. – М., 1976.
32. Теппер, Е. З. Практикум по микробиологии [Текст] / Е. З. Теппер,
В. К. Шильников, Г. И. Переверзева. – М., 1994.
33. Федоров, М. В. Руководство к практическим занятиям по
микробиологии [Текст] / М. В. Федоров. – М., 1957.
34. Хотянович, А. В. Методы культивирования азотфиксирующих
бактерий, способы получения и применения препаратов на основе [Текст] /
А. В. Хотянович. – Л., 1991.
35.
Шендеров,
Б.
А.
Медицинская
микробная
экология
и
функциональное питание [Текст] / Б. А. шендеров. – М., 1998.
36. Шильникова, В. К. Микроорганизмы – азотонакопители на службе
растений [Текст] / В. К. Шильников, Е. Я. Серова. – М., 1983.
37. Шлегель, Г. Общая микробиология [Текст] / Г. Шлегель / Пер. с
англ. – М.: Мир, 1987.
38. Экология микроорганизмов: учебник для вузов [Текст] / Под ред. А.
И. Нетрусова. – М.: Академия, 2007.
39. Энтеробактерии: руководство [Текст] / Под ред. В. И. Покровского.
– М.: Медицина, 1985.
128
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Схема строения бактерии
Рис. 2. Схема строения частицы вируса малых размеров, 20–300 нм
(семейство Herpesviridae)
Рис. 3. Схема строения частицы гигантского вируса, 400–800 нм
(Мимивирус — Acanthamoeba polyphaga mimivirus)
129
Рис. 4. Встраивание генома вируса в ДНК клетки хозяина
Рис. 5. Цикл репродукции ДНК-содержащих вирусов в клетке-хозяине
130
Рис. 6. Поражение животного (сибирская язва) сибиреязвенной бациллой
Bacillus anthracis
Таблица 1. Сравнение числа разных бактерий и актиномицетов в
ризосфере пшеницы и в контрольной почве Саратовской области
(собственные данные)
Организмы
Бактерии
Актиномицеты
Группы бактерий:
Аммонификаторы
Газообразующие анаэробы
Анаэробы
Денитрификаторы
Аэробные целлюлозоразлагающие
Анаэробные целлюлозоразлагающие
Спорообразующие
Ризосферная почва
1200×106
46×106
Контрольная почва
53×106
7×106
Р/П
23/1
7/1
500×106
39×104
12×106
126×106
7×105
9×103
930×103
4×106
3×104
6×106
1×105
1×105
3×103
575×103
125/1
13/1
2/1
1260/1
7/1
1/1
1/1
Таблица 2. Групповой состав и численность микрофлоры ризосферы
пшеницы (число микроорганизмов в тыс. на 1 г почвы)
(По Е. Н. Мишустину и соавт., 1973)
Фазы
развития
растений
Кущение
Колошение
Цветение
Созревание
Бактерии
300000
420000
560000
280000
Из числа бактерий
неспоро- бациллы
носные
295000
5000
417000
3000
546000
14000
205000
75000
131
Актиномицеты
Грибы
Целлюлозные микробы
20
55
70
45
40
55
70
45
100
100
1000
10000
Рис. 7. Поражение человека штаммом вируса гриппа А/H1N1 из рода
Influenza («свиной грипп»)
Рис. 8. Поражение винограда бактерией Agrobacterium tumefaciens
(«бактериальный рак»)
Рис. 9. Вирусное заболевание растений – пожелтение листьев
132
Рис. 10. Вирусное заболевание растений – курчавость листьев
Рис. 11. Поражение растений грибом Verticillium dahlia
133
134
Подписано в печать 24.06.2010
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Усл. печ. л. 6,0. Тираж 300. Заказ 359/2010
_________________________________________________________
Типография ОООп «Орион»
410031, г. Саратов, ул. Московская, 62
тел.: (8452) 23-60-18
135