Группы бактерий по способу дыхания

Дыхание микроорганизмов. Типы дыхания. Классификация микроорганизмов в зависимости от типа дыхания.

Под дыханием понимают совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов. По источникам энергии микроорганизмы делят на:

1.фототрофы – используют энергию солнечного света благодаря пигментам, близким к хлорофиллу (пурпурные серобактерии)

2.хемотрофы – получают энергию за счет окисления неорганических и органических соединений (чаще глюкозу – нитрифицирующие бактерии)

Органеллы дыхания у бактерий – мезосомы, содержащие специальные дыхательные ферменты типа цитохромоксидаз. По типу дыхания микроорганизмы делят на:

1. облигатные аэробы – они способны получать энергию только путем дыхания и нуждаются в О₂ как акцепторе протонов и электронов в окислительно-восстановительных процессах (микобактерии туберкулеза, возбудитель холеры)

2. облигатные анаэробы – способны расти только в среде, лишенной О₂ (для них О₂ токсичен). Для них как тип окислительно-восстановительных процессов характерна ферментация (возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма).

3. Факультативные анаэробы — способны расти как при наличии О₂, так и в отсутствии его. Среди них различают:

— аэротолерантные – могут расти в присутствии атмосферного О₂, но не способны его использовать, так как получают энергию исключительно с помощью брожения (молочно-кислые бактерии)

— факультативно-анаэробные – которые в отсутствии О₂ способны перестраиваться на брожение (энтеробактерии).

Различают микроаэрофилы – нуждаются в малых количествах кислорода (лептоспиры, бруцеллы) и капнофилы – нуждаются в повышенном содержании СО₂ (менингококки, гонококки)

Источник

В чем заключаются главные особенности дыхания бактерий

Дыхание бактерий, грибов, растений, классификация по типу: аэробное, анаэробное, брожение

Чтобы перерабатывать питательные вещества, поступающие в микроорганизмы, им необходимо много энергии. Она также необходима для размножения и роста. Чтобы получить ее, микроорганизмы дышат. Дыхание бактерий заключается в том, что органические вещества, имеющие более сложную формулу, окисляются до более простых. При этом процессе высвобождается биоэнергия.

В микробиологии принято было считать дыхание биологическим окислением органических веществ кислородом. Но открытие анаэробов, которым для получения энергии он не нужен, перевернуло представления об этом понятии полностью.

Классификация по типу дыхания

Чтобы получить необходимую биоэнергию для жизни и питания из органических и неорганических веществ, одни бактерии используют для этого О2, для других он, наоборот, смертелен, а третьи прекрасно приспосабливаются к любым условиям и любому его содержанию. Учитывая такую сущность, их делят по способу на два типа: аэробные, для которых необходим кислород, и анаэробные ─ те, для которых он губителен.

У грибов, так же как у бактерий, два типа дыхания: аэробное и анаэробное. Яркий пример грибов-анаэробов ─ дрожжи. Процесс выработки энергии анаэробных грибов происходит в цитоплазме и носит название гликолиз.

Такие съедобные грибы, как лисички, белые, моховики, и многие другие дышат так же, как растения и другие аэробные формы жизни. Процесс выработки энергии у аэробных грибов и растений происходит в митохондриях.

Растения являются аэробами, им, чтобы дышать, необходим О2, а продуктом его переработки является углекислый газ.

Но в отличие от грибов у растений, как и у сине-зеленых водорослей, параллельно с дыханием происходит процесс фотосинтеза. Растения и сине-зеленые водоросли при этом выделяют О2 больше чем поглощают, когда дышат.

При отсутствии солнечного света растения только дышат. И при нехватке кислорода растения гибнут, что не страшно факультативным формам.

Аэробные микроорганизмы

В процессе дыхания аэробные бактерии преобразуют окисление органики до воды и углекислого газа. При полном окислении выделяется вся энергия. Если происходит неполное окисление органики, то невыделившаяся часть будет оставаться в продуктах их питания. Автотрофы нужную им энергию получают за счет неорганических веществ, а гетеротрофы – из органических.

Учитывая потребность микроорганизмов в кислороде, ученые выделили такие классификации:

• облигатные;
• факультативные;
• микроаэрофилы;
• капнеические.

Облигатные аэробы

Облигатные (строгие) способны существовать, только если в среде есть наличие свободного О2 не менее 21%.

Ярким примером облигатных форм являются уксуснокислые микроорганизмы, которым для жизнедеятельности и питания необходимо большое количество О2. Также к строгим аэробам относят растения, животные, многие типы грибов.

Даже небольшая нехватка свободного кислорода приводит к тому, что замедляется рост и развитие аэробов.

Факультативные аэробы

К условным (факультативным) относят тех аэробов, жизнедеятельность которых может протекать как с участием О2, так и без него. Часть аэробов хорошо развивается при его большом количестве, другим, наоборот, необходим малый процент.

Это обусловлено тем, что одни аэробы вместе с ферментами переносят водород на свободные соединения, а некоторые переносят вместе с водородом и кислород. В зависимости от процента содержания О2 такие микроорганизмы способны менять метаболические процессы и изменять использование свободного кислорода на продукты брожения.

Их умение приспосабливаться как в кислородосодержащей среде, так и в анаэробной привело к большому числу видов.

Микроаэрофилы

Это тип аэробов, сущность жизни которых зависит от низкого содержания (около 2%) кислорода. В отличие от других аэробов для дыхания у бактерий этого типа необходим О2 пониженной концентрации.

Многие из них, например, Helicobacter pylori, вызывающий гастрит и язву желудка, а также Streptococcus pyogenes, известный как возбудитель фарингита, плохо переносят нормальную концентрацию О2.

Эта их сущность применяется при лечении заболеваний с применением препаратов, имитирующих атмосферный О2.

Капнеические

В микробиологии вид микроорганизмов, которым для дыхания нужен не только О2, но и СО2, носит название капнеические.

Анаэробы

Для дыхания этих микроорганизмов О2 не нужен. Это называется брожением. Нужную энергию они получают путем расщепления сложных молекул органики на простые.

Процесс брожения происходит в результате распада глюкозы без наличия воздуха, к примеру, спиртовое брожение, где глюкоза преобразуется в спирт и выделяется углекислый газ.

В результате такого брожения выделяется биоэнергия, температура субстрата повышается на несколько градусов. Жизнедеятельность такого вида хорошо видна при брожении и нагревании зерна, сена, силоса.

Основными особенностями анаэробов являются:

• Образование метана. Этот биопроцесс происходит в результате деятельности метановых бактерий путем разложения органических соединений.
• Образование сероводорода. Это является продуктом работы сероводородных бактерий.
• Винное брожение.

Анаэробы делятся на два вида: факультативные и облигатные. Факультативные виды могут дышать и в кислородосодержащей среде, и там, где кислород отсутствует. Самые яркие представители облигатных микроорганизмов – стрептококки, кишечная палочка, стафилококки, иерсинии, шигеллы.

Облигатные формы погибают там, где есть свободный О2. Анаэробные облигатные виды представлены двумя типами: спорообразующими (клостридиями) и неспорообразующими.

Спорообразующие часто являются возбудителями многих инфекционных заболеваний: ботулизма, гнойных инфекций, столбняка.

Неспорообразующие являются жителями организмов человека и животных. Часто они являются возбудителями таких инфекционных заболеваний, как пневмония, перитонит, отит, абсцесс головного мозга и легких, сепсис и другие. Их развитие происходит в основном при переохлаждении, снижении общей сопротивляемости организма, травмах.

В жизнедеятельности микробов, грибов и растений есть много схожих химических процессов, но только бактерии способны существовать в любой среде, при любых температурах, что привело к их расселению на планете в таких масштабах.

Дыхание бактерий

Дыхание (биологическое окисление, катаболизм, диссимиляция) – совокупность биохимических процессов, сопровождающихся образованием энергии, крайне важно й для жизнеобеспечения клетки.

Приаэробном типе дыхания бактериииспользуют энергию в результате окисления веществ кислородом воздуха и способны развиваться только при наличии кислорода.

При анаэробном типе дыхания микроорганизмы могут развиваться при отсутствии кислорода, получая энергию в результате ферментативного расщепления органических веществ. Существуют также факультативные анаэробы, растущие как при наличии, так и при отсутствии кислорода.

Определяют тип дыхания микроорганизмов посœевом культуры бактерий уколом в высокий столбик агара. При этом аэробы вырастают в верхней части среды, факультативные анаэробы – по всœей длинœе укола, анаэробы – в нижней части посœева.

У прокариотов возможны три пути получения энергии, которые различаются по выходу энергии (табл. 4):

1. Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование), в котором принимают участие энергия фотонов, хлорофилл или его аналоги – пигменты. Фотосинтез описан у очень небольшой группы микробов (цианобактерии или синœе-зелёные водоросли), содержащих пигменты, сходные с хлорофиллом.

2. Дыхание (окислительное фосфорилирование) – окислительно-восстановительный процесс переноса взаимодействия субстрата со свободным кислородом и ферментами дыхательной цепи, цепь реакций биологического окисления. Большинство бактерий, называемых скотобактериями,получают энергию путем химических реакций.

Суть окисления состоит в присоединœении кислорода или в отнятии водорода от субстрата͵ благодаря чему происходит расщепление вещества и разрушение химических связей.

Энергия этих связей выделяется в окружающую среду и почти на 70% улавливается клеткой в виде биологической энергии, в виде образования высокоэнергетических соединœений, главными из которых у прокариот является АТФ (аденозинтрифосфат), УДФ (уридиндифосфат), ферментные комплексы НАДФ (никотинадениндиноклеотидфосфат) и ФАДФ (флавинаденин-динуклеотидфосфат), пирофосфат и волютин (орто- и метафосфаты).

Одним из базовых путей реализации энергии, содержащейся в фосфорных связях органических соединœений, является фосфорилирование – способность передавать фосфатный остаток другим веществам , что делает эти соединœения нестабильными, приводя к их распаду с выделœением энергии. Все процессы дыхания происходят на ЦПМ прокариот иначинаются с гликолиза, в результате которого образуется пировиноградная кислота (пируват – ПВК), которая является исходным материалом для дальнейших катаболических реакций.

По типу дыханиябактерии делятся на:

· облигатные аэробы (к примеру, нейссерии, синœегнойная палочка)растут только при наличии кислорода;

· облигатные анаэробы могут расти только без кислорода (пептострептококки, вейллонеллы, бактероиды фузобактерии, анаэробоспириллы);

· факультативные аэробы и анаэробы могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него;

· аэротолерантные микробы (к примеру спорообразующие анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). – это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают;

· микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые бациллы полости рта)представляют из себянебольшую группу факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%);

· капнофилы(возбудители бруцеллеза, стрептококки полости рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до 20%).

Тип дыхания бактерий зависит от набора ферментов.

От окисляемого субстрата (донора) электрон водорода передается с помощью дегидрогеназывосстанавливаемому веществу (акцептору) – флавопротеину(ФАД) или желтому ферменту, который передает электрон водорода непосредственно кислороду с образованием перекиси водорода или следующему промежуточному передатчику – цитохрому,который, в конечном счете, передает его кислородус образованием воды или перекиси водорода. Описано 3 типа цитохромов – А, В, С. Бактерии не всœе и не в одинаковой мере содержат всœе три компонента цитохрома. Так, к примеру, строгие аэробы содержат всœе три компонента цитохрома. Οʜᴎ имеют самую длинную дыхательную цепь (дегидрогеназы, флавопротеины, цитохромы). Конечный акцептором электронов является кислород.

Факультативные анаэробы содержат один или два компонента цитохрома, в то время как строгие анаэробы, как правило, не имеют цитохрома С, в связи с этим у них конечным акцептором электронов водорода являются неорганические вещества (нитраты, сульфаты, карбонаты). В аэробных условиях электрон водорода от флавопротеина может непосредственно передаваться кислороду с образованием перекиси водорода, гидроксиланиона, супероксиданиона.

Аэробы и факультативные анаэробы, в отличие от облигатных анаэробов, имеют ферменты, расщепляющие каталазу и пероксидазу, а также мощный фермент – супероксиддисмутазу (СОД) для нейтрализации токсичных радикалов кислорода. У облигатных анаэробов эти ферменты не вырабатываются, в связи с этим накопление токсических для мембран клеток соединœений вызывает их разрыв и неизбежную гибель.

3. Брожение (субстратное фосфорилирование) – разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество.

При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделœением небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий. Учитывая зависимость оттого какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:

· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями, бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную, янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочно-кислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и творога.

· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы, вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции. Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная, уксусная, валериановая кислоты.

· Пропионовокислое брожение также вызывается анаэробами – пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные инфекции), которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения – пропионовая кислота.

· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате спиртового брожения образуется этиловый спирт, что издавна используется в пивоварении и виноделии.

· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в т.ч. – возбудители кишечных инфекций – сальмонеллёза, дизентерии.

При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода выделяется незначительное количество энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения (молочная кислота͵ спирты и др.) сохраняют в себе значительные количества энергии.

По этой причине в анаэробных условиях бактериальная культура для получения крайне важно й энергии во много раз больше разлагает пищевого материала, чем в присутствии кислорода.

Теплообразование при развитии бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф, мусор) может привести к его самовозгоранию.

Изучение ферментов бактерий имеет большое практическое значение для разработки методов диагностики (идентификации) возбудителœей инфекционных заболеваний по набору ферментов, а также для создания современных биотехнологий получения продуктов питания в т.ч. молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и т.д.

Дыхание бактерий – понятие и виды. Классификация и особенности категории “Дыхание бактерий” 2017, 2018.

Биосинтез мононуклеотидов Из мононуклеотидов построены нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) клеток.

Кроме того, мононуклеотиды входят в состав многих коферментов и участвуют, таким образом, в осуществлении различных каталитических функций. Центральное место в биосинтезе… [читать подробнее].

Для осуществления биологических синтезов помимо питательных веществ бактерии нуждаются в определенном количестве энергии. Универсальным аккумулятором химической энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в результате дыхания,… [читать подробнее].

Для осуществления биологических синтезов помимо питательных веществ бактерии нуждаются в определенном количестве энергии. Универсальным аккумулятором химической энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в результате дыхания,… [читать подробнее].

Физиология микроорганизмов Микроорганизмам, как и всем живым существам, присущи процессы питания, дыхания, роста и размножения. Однако эти процессы у микробов характеризуются своеобразием и рядом особенностей. Микробы занимают особое место среди других живых… [читать подробнее].

Дыхание, питание и значение бактерий

Как дышат бактерии? Для анаэробов кислород не требуется или почти не требуется. Аэробы, напротив, живут только в среде, содержащей кислород. Первые бактерии на планете были бескислородными, и массово погибли, когда бурный рост цианобактерий насытил атмосферу кислородом. Анаэробные бактерии могут быть очень агрессивными, например, Clostridium tetani, возбудитель столбняка, или Clostridium botulinum, заражающая ботулизмом.

По способу питания бактерии делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы продуцируют органику из неорганических веществ путем фотосинтеза, который у бактерий может идти как с участием кислорода посредством хлорофилла (цианобактерии), так и без него (гелиобактерии). Хемосинтез у бактерий — тоже автотрофный тип питания, при котором источником энергии для создания органических веществ внутри клетки являются реакции окисления неорганических соединений (так питаются железобактерии, серобактерии).

Гетеротрофные бактерии, которые составляют большинство, питаются готовыми углеродосодержащими соединениями. Бактерии-сапротрофы перерабатывают органические остатки растений и животных, живут в навозе, древесине, компостах. В почве содержится гигантское количество бактерий, благодаря которым органика (например, опавшая листва) превращается в минеральные соединения, обогащающие почву, делающие ее плодородной.

1. Формирование бактериальных спор происходит при неблагоприятных условиях среды (недостатке влаги, органики, слишком низкой или высокой температуре).
2. Бактерия усыхает, изменяет внешний вид, образует толстую оболочку под мембраной. Эта форма чрезвычайно устойчива к внешним воздействиям, может пережить и кипячение и огромные отрицательные температуры.

1. С приходом благоприятных условий плотная оболочка рвется, клетка начинает набирать воду и полезные вещества, а потом и делиться. Важно, что спора бактерии никак не участвует в процессе размножения — это лишь способ выжить в трудное время.

Роль бактерий в природе и жизни человека

1. Бактерии гниения.Аэробы. Высвобождают аммиак при гниении органических веществ. Создают перегной. Вызывают порчу продуктов.
2. Бактерии брожения. Преобразуют перегной в комплекс минеральных солей, преобразуют продукты питания, например, способствуют скисанию молока, сока, фруктов. Молочнокислые бактерии полезны, так как высвобождают из сахара молочную кислоту, угнетающую гнилостные бактерии. Из бактерий брожения получают различные медицинские препараты.
3. Нитрифицирующие бактерии. Аэробы. Могут окислять аммиак, образуя нитраты, нитриты в почве — минеральные удобрения. Очищают сточные воды, расщепляя органику.
4. Денитрифицирующие бактерии. Осуществляют химический процесс, в ходе которого нитраты поэтапно восстанавливаются до молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.
5. Клубеньковые бактерии. Гетеротрофы. Селятся в корнях растений семейства бобовых, фиксируют азот.
6. Азотфиксаторы. Кроме клубеньковых бактерий к этой группе относят цианобактерии, ряд свободноживущих почвенных бактерий.

Болезнетворные бактерии. Вызывают различные заболевания, самыми тяжелыми из которых являются брюшной тиф, столбняк, дизентерия, холера, ботулизм, пневмония, газовая гангрена, туберкулез, дифтерия, сальмонеллез, коклюш, сибирская язва, туляремия. Для борьбы со многими из них питьевые жидкости кипятят, молоко пастеризуют, руки и предметы дезинфицируют. В целях профилактики болезней вводят прививки (столбняк, дифтерия, коклюш). Помимо людей и животных, бактериальные заболевания могут поражать и растения.

Симбиотические бактерии. Создают нормальную, сбалансированную микрофлору в организмах человека и животных. Например, безвредные штаммы кишечной палочки (Escherichia coli) заселяют кишечник, не причиняя вреда, и даже способны синтезировать витамин К. Симбионты живут на кожных покровах, в верхних дыхательных путях, в пищеварительном тракте. Вырабатывают органические кислоты, витамины, ферменты, антибиотики. Однако при лечении болезней антибиотиками симбионты зачастую гибнут, из-за чего баланс флоры нарушается, бурно растут патогенные бактерии.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Дыхание бактерий осуществляется при помощи специальных дыхательных ферментов. [1]

Дыхание бактерий происходит при помощи специальных дыхательных ферментов.

По отношению к молекулярному кислороду ( по типу дыхания) микробы разделяются на аэробов и анаэробов.

Между строгими анаэробными и аэробными типами дыхания существуют и переходные формы. [2]

Следовательно, система энзимов, катализирующих процессы дыхания бактерий, более чувствительна к действию хлора, чем ферменты, участвующие в расщеплении аминокислот. [3]

Метаболический характер второй стадии потребления подтверждается также отсутствием, после первой стадии поглощения вещества, дальнейшего накопления С14 культурой при ингибировании дыхания бактерий путем введения в субстрат цианистого калия. [4]

Показано, что 2 4 – Р”, 2 4 5 – Рў, метабромурон, монолинурон, линурон ( Huber, 1982), трифлуралин ( Affifi, Dowidar, 1973) РёРЅРіРёР±РёСЂСѓСЋС‚ дыхание бактерий. [5]

РђР·РѕС‚ Рё фосфор включены РІ РєСЂСѓРіРѕРІРѕСЂРѕС‚ РІ составе органических тканей организмов, тогда как кремний Рё кальций ( РЎР°) – РІ составе скелетного материала.

Разложение органических тканей РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј Р·Р° счет дыхания бактерий – быстрого Рё эффективного процесса. Скелетный материал, напротив, растворяется медленно ( СЃРј. РїРї.

Результатом таких разных скоростей разложения является то, что концентрационные профили NOJ и фосфора быстро нарастают с глубиной, что подразумевает регенерацию материала на меньшей глубине водяного столба, чем для кремния. [6]

�зменение характера биохимических процессов в концентрированных средах органических веществ отмечается многими исследователями.

Метаболических продуктов относится к факторам, лимитирующим скорость дыхания бактерий.

Леонову ( 1974), кинетика поглощения кислорода в этих условиях имеет специфический характер, так как скорость реакций, катализируемых ферментами, увеличивается с повышением концентрации органического вещества только до определенной величины, по достижении которой происходит замедление скорости. Скирдову ( 1977), активность микроорганизмов биоценоза активного ила снижается с увеличением его количества. [7]

Деструкция Р” определяется РїРѕ разности содержания кислорода РІ РїСЂСѓРґРѕРІРѕР№ РІРѕРґРµ ( первоначально) Рё РІ темной склянке после суточной экспозиции. Таким образом, деструкция характеризует процессы расходования кислорода РЅР° дыхание бактерий, фито – Рё зоопланктона. [8]

Это, однако, не является единственным аргументом в пользу частично гетеротрофного питания пурпурных бактерий.

Было показано [28, 30, 37, 41, 44, 82, 83], что окисление органических субстратов при дыхании бактерий часто сопровождается их частичной ассимиляцией. [9]

Цитоплазма представляет СЃРѕР±РѕР№ коллоидный раствор, дисперсной фазой которого являются сложные белковые соединения Рё вещества, близкие Рє жирам, Р° дисперсионной средой – РІРѕРґР°.

РЈ некоторых форм бактерий РІ цитоплазме содержатся включения – капельки жира, серы, гликогена Рё РґСЂ.

Постоянными составляющими бактериальных клеток являются особые выросты цитоплазматической мембраны – мезосомы, РІ которых содержатся ферментные окислительно-восстановительные системы.

Р’ этих образованиях РёРґСѓС‚ РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј процессы, связанные СЃ дыханием бактерий. Р’ мелких включениях – рибосомах, содержащих рибонуклеиновую кислоту, осуществляется биосинтез белка.

Большинство видов бактерий не имеет обособленного ядра. Ядерное вещество, представленное ДНК, у них не отделено от цитоплазмы и образует нуклеоид.

Транспортировка веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки, и отвод продуктов обмена осуществляется по особым каналам и полостям, отделенным от цитоплазмы мембраной, имеющей такое же строение, как и цитоплазматическая. [10]

�звестно, что в процессе трансформации гербицидов образуются разнообразные метаболиты, которые также являются физиологически активными веществами.

Накапливаясь в окружающей среде, они воздействуют на живой организм. В последние годы показано, что эти продукты влияют и на клубеньковые бактерии.

Так, Хубер ( Huber, 1982) отмечает, что хлорфенолы, являющиеся продуктами трансформации хлорпроизводных феноксиалкилкарбоновых кислот, сильнее подавляют дыхание бактерий, чем исходные соединения.

По данным Пошенридера и Хубера ( Poschenrieder, Huber, 1983), концентрации 2 4-дихлорфенола, тормозящие реакцию агглютинации R. [11]

Дыхание бактерий

Дыхание (или биологическое окисление) микроорганизмов представляет собой совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработка токсинов, могут осуществляться при постоянном притоке энергии.

Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров и т. д.

Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое получает их.

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные (необязательные) анаэробы.

Облигатные аэробы (микобактерии туберкулеза и др.) живут и развиваются при свободном доступе кислорода, т. е.

реакции окисления осуществляются у них при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии.

Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях:
82,6 кД (688,5 ккал)

Существуют и микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода (некоторые лептоспиры, бруцеллы).
Облигатные анаэробы (клостридии столбняка, ботулизма и др.) способны жить и размножаться только в отсутствие свободного кислорода воздуха. Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с Образованием небольшого количества энергии.

Так, при анаэробном разложении 1 моль глюкозы энергии выделяется значительно меньше, чем при аэробном дыхании:
РЎ6Рќ ,2Рћ6

2С2Н5ОН + 2СО2+130,6 кД (31,2 ккал)

Наличие свободного кислорода для облигатных анаэробов является губительным. Это связано с тем, что в присутствии кислорода конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода. А поскольку анаэробы не обладают способностью продуцировать фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на бактерии.

Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии молекулярного кислорода, так и при отсутствии его. К ним относят большинство патогенных и сапрофитных бактерий.

Процессы разложения органических веществ в бескислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют также брожением.

В зависимости от участия определенных микроорганизмов и конечных продуктов расщепления углеводов различают несколько типов брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами; молочнокислое, вызываемое молочнокислыми бактериями; масляно-кислое, обусловленное масляно-кислыми бактериями и др.

Выделение тепла при дыхании микроорганизмов можно наблюдать при выращивании культур в сосудах, защищенных от потери тепла,- температура питательной среды будет постепенно повышаться.

С выделением избыточного тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.

Биохимические механизмы дыхания более подробно изложены в учебниках биологической химии.

Физиология бактерий

Тело бактерии состоит из одной клетки и не имеет специальных органов питания.

В связи с этим весь процесс питания у бактерии протекает весьма элементарно: каждая клетка путем осмоса через полупроницаемые перегородки из омывающего ее питательного раствора всей поверхностью своего тела берет все нужные ей элементы и возвращает обратно в окружающую ее среду все отработанные продукты обмена, не нужные ей и вредные.

Для питания бактерий необходимы углерод, азот, кислород и водород. Наряду с видами, нуждающимися в готовых органических соединениях, имеются и такие группы бактерий, которые способны ассимилировать углекислоту и усваивать свободный азот атмосферы.

По усвоению углерода бактерии можно разделить на две группы — аутотрофные и гетеротрофные.

Аутотрофные бактерии способны ассимилировать углерод из угольной кислоты и этим напоминают зеленые растения, гетеротрофные же нуждаются в готовых органических соединениях.

Менее требовательны бактерии к минеральному питанию. В этом отношении они могут довольствоваться тем, что имеется в естественном субстрате, занятом бактериями, особенно в почве. Для нормального развития бактерий требуется смесь минеральных солей. Разбавленные растворы их, как полагают, служат возбудителями химических сил бактериальной клетки, усиливают действие энзимов (ферментов).

Жизнь бактерии и все ее различные проявления — движение, рост, размножение — связаны с беспрерывным расходованием энергии. Всю необходимую для жизни энергию бактерии добывают исключительно за счет химических реакций, идущих с выделением тепла. Скрытая энергия химических соединений превращается в производительную силу живой клетки.

Бактерии, которым необходим кислород, называют аэробными. Как и у высших животных, дыхание у них сопровождается поглощением кислорода и выделением углекислоты.

Анаэробами называют бактерии, нормально развивающихся при полном отсутствии свободного кислорода, который для некоторых является даже сильным ядом.

Необходимую энергию анаэробные бактерии добывают не путем кислородного дыхания, а расщеплением веществ, содержащих большой запас скрытой энергии без свободного кислорода.

Существуют так называемые строгие, или облигатные, аэроны и анаэробы. Связующим звеном между ними являются факультативные или условные анаэробы. Граница между теми и другими не всегда достаточно резка.

Распространение анаэробных бактерий в природе весьма велико. Их можно найти везде, где происходит разложение органических остатков без доступа воздуха или при затрудненном его притоке.

Облигатных анаэробов среди фитопатогенных бактерий, как отмечает М. В. Горленко (1950), не имеется.

Влияние внешних условий на рост и развитие бактерий

Жизнь бактерий, как и других организмов, находится в тесной зависимости от условий внешней среды.

Такие факторы внешней среды, как температура, свет, влажность или кислотность среды, оказывают различное влияние на бактерии.

В действии температуры, например, различают: предельную высшую наиболее благоприятную и предельную низшую температуры. Переход к крайним температурам сопровождается замедлением жизненных функций или их прекращением.

Бактерии не могут регулировать температуру своего тела. Она изменяется у них в соответствии с изменениями температуры окружающей среды. Лучшей температурой для развития бактерий будет та, к которой они приспособились в естественных условиях их жизни.

Патогенные для человека бактерии, например, успешнее растут при температуре человеческого тела (+37°). Наиболее благоприятные температуры для сапрофитных бактерий лежат в пределах от +20 до +35°. Активная жизнедеятельность большинства бактерий лежит в довольно широких пределах — от +2—4 до +45°.

Влияние низких температур сказывается гораздо слабее, чем высоких. Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течение полугода при температуре жидкого воздуха (—190°) и в течение 10 ч даже при температуре жидкого водорода (—253°). Низкие температуры приостанавливают гнилостные и бродильные процессы.

На этом основано сохранение пищевых продуктов путем их замораживания. Губительно влияет на бактерии чередующиеся замораживание и оттаивание.

Гораздо большее влияние на бактерии оказывают высокие температуры. В этих условиях плазма бактерий свертывается и они погибают при нагревании до +50—60° (через 30 мин) и при +70° (через 5—10 мин). Однако отношение к температуре связано с индивидуальными свойствами бактерий. Некоторые виды так называемых термогенных и термофильных бактерий выдерживают температуру до +70—80°.

Бактерии, за небольшим исключением, не нуждаются в свете. Рассеянный свет на большинство бактерий не оказывает вредного влияния, но он может задерживать развитие особенно чувствительных к свету видов.

Прямые солнечные лучи убивают бактерии в течение нескольких часов. В этом большое гигиеническое значение света. Особенно губительно действуют на бактерии ультрафиолетовые лучи.

Однако не все виды бактерий одинаково чувствительны к свету.

Отношение бактерий к влажности среды определяется тем, что они не могут проявлять свою жизнедеятельность, если отсутствует доступная для них влага. Она нужна им как растворитель элементов их питания и как условие деятельности энзимов.

На этом построено высушивание как средство консервирования. Однако некоторые виды бактерий, в первую очередь споровые, легко переносят глубокое и продолжительное обезвоживание. В высушенном виде они могут сохраняться десятки и сотни лет.

Тем не менее благодаря высушиванию гибнет огромное количество бактерий в воздушной пыли и верхних слоях почвы.

Бактерии теряют способность нормально развиваться и в том случае, если воды много, но она находится в связанной форме. Среди бактерий есть виды, которые приспособились к жизни в концентрированных солевых растворах морской воды в засоленной почве.

Отношение бактерий к кислотности среды различно. Одни из них лучше развиваются в нейтральной или щелочной среде и не могут расти в кислой среде, другие хорошо приспособились и к кислой реакции среды.

Местообитание бактерий

Ничтожные размеры, необычайная быстрота размножения и удивительная приспособленность ко всевозможным условиям жизни обусловили поразительное распространение бактерий в окружающей природе.

С потоками воздуха, мельчайшими пылинками они передвигаются в атмосфере, с оседающей пылью покрывают все предметы, находящиеся на воздухе и внутри помещений. В 1 г комнатной и уличной пыли может быть свыше миллиона бактерий.

Попадая в воду, они разносятся течением.

Воздух как среда обитания неблагоприятен для развития бактерий. Под влиянием высушивания и действия прямых солнечных лучей они более или менее быстро отмирают.

В местности с теплым и влажным климатом бактерий в воздухе больше, чем в местах сухих и холодных. Зимой их меньше, чем летом.

В густонаселенных местах их больше, чем в малонаселенных, и особенно много в промышленных городах, где воздух насыщен угольной пылью.

Воды различного происхождения содержат различное количество бактерий. Их меньше всего в воде дистиллированной, из артезианских колодцев, в ключевой. Мало их в воде глубоких закрытых колодцев и дождевой. В воде озер и морей количество бактерий уменьшается по мере удаления от берега; в речной воде бактерий больше, чем в морской.

Почва является той средой, которая исключительно населена бактериями. Здесь они находят все необходимые условия для успешного развития: органические и минеральные вещества, влажность, защиту от солнца.

Однако количество бактерий в почве резко колеблется в зависимости от ее физических и химических свойств, рельефа, влажности, освещения, времени года, климатических факторов, способов ухода за ней и т. п.

Значение бактерий в жизни почвы огромно. Само почвообразование находится в тесной связи с деятельностью различных микроорганизмов. Процессы минерализации органических остатков, попадающих в почву, образование гумусовых веществ, нитрификации и денитрификации также тесно связано с жизнедеятельностью бактерий.

В почве развиваются бактерии разных видов. Все они и до сих пор полностью не выявлены в связи с большими трудностями их выделения и определения. Кроме бактерий, тесно связанных с жизнью почвы, в ней обитают и те виды, которые являются патогенными для человека, животных и растений.

Примером в этом отношении могут быть палочка столбняка, сибиреязвенный микроб, возбудитель корневого рака растений. Жизнь растений тесно связана с почвой, а жизнь почвы имеет такую же связь с микроорганизмами.

Поэтому естественно то большое внимание, которое уделяется почвенной микробиологии.

открытая библиотека учебной информации

Физиология микроорганизмов

Основные факторы макросреды

1. демографическая среда (снижение рождаемости);

2. экономическая среда (оказывает влияние на покупательские возможности;

3. природная среда (дефицит некоторого вида сырья);

4. научно-техническая среда;

5. политическая среда;

6. культурная среда.

Микроорганизмам, как и всœем живым существам, присущи процессы питания, дыхания, роста и размножения. При этом эти процессы у микробов характеризуются своеобразием и рядом особенностей.

Микробы занимают особое место среди других живых существ: они способны использовать в качестве питательных веществ как неорганические, так и разнообразные органические соединœения; могут существовать и размножаться в аэробных и анаэробных условиях; длительно сохраняются во внешней среде с помощью спор; обладают исключительной приспособляемостью к меняющимся факторам окружающей среды.

С питанием бактерий тесно связаны процессы дыхания, дающие необходимую энергию для осуществления физиологических функций клетки. Сущность процесса дыхания бактерий заключается в совокупности биохимических реакций, в ходе которых идет образование АТФ, без которого невозможен процесс метаболизма, протекающего с затратой энергии.

АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между процессами, выделяющими энергию, и реакциями, их использующими.

При дыхании — процессе биологического окисления бактерий — потребляются те же соединœения, что и на построение отдельных структурных компонентов клетки, но в первую очередь — сахара, спирты, органические кислоты, жиры и т. д.

Большая часть бактерий использует в процессе дыхания свободный кислород. Такие микроорганизмы получили название аэробные (от аег — воздух).

Аэробный тип дыхания характеризуется тем, что окислениеорганических соединœений происходит при участии кислорода воздуха с освобождением большого количества калорий.

Молекулярный кислород выполняет роль акцептора водорода, образующегося при аэробном расщеплении этих соединœений.

Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ приводит к выделœению большого количества энергии:

С6Н12О6 + 602 6С02+6Н20 + 688,5 ккал.

Процесс анаэробногодыхания микробов состоит по сути в том, что бактерии получают энергию при окислительно-восстановительных реакциях, при которых акцептором водорода является не кислород, а неорганические соединœения — нитрат или сульфат.

Многие бактерии могут существовать в аэробных и анаэробных условиях. Такие микроорганизмы получили название факультативных (необязательных) анаэробов.

К примеру, стафилококки, кишечная палочка и другие факультативные анаэробы имеют полный набор дыхательных ферментов, обеспечивающих им существование как в кислородной, так и в бескислородной среде.

Факультативные анаэробы обладают так называемым нитратным дыханием, так как образующийся при окислении органических соединœений нитрат (акцептор водорода) восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.

Читайте также

Дыхание (биологическое окисление) – окислительно-восстановительные реакции, идущие с выделением энергии и образованием АТФ. Субстраты дыхания: глюкоза, аминокислоты, спирты и др. Аэробное дыхание – участвует кислород. Анаэробное дыхание – без участия кислорода. При… [читать подробенее]

– Дыхание бактерий. Энергетический метаболизм

Лекция №4 Дыхание бактерий — это процесс биологического окисления, в результате которого вырабатывается энергия, необходимая для жизнедеятельности бактериальной клетки. Различное физиологическое отношение микроорганизмов к кислороду связано с наличием у них… [читать подробенее]

Физиология микроорганизмов Микроорганизмам, как и всем живым существам, присущи процессы питания, дыхания, роста и размножения. Однако эти процессы у микробов характеризуются своеобразием и рядом особенностей. Микробы занимают особое место среди других живых… [читать подробенее]

Физиология микроорганизмов Основные факторы макросреды 1. демографическая среда (снижение рождаемости); 2. экономическая среда (оказывает влияние на покупательские возможности; 3. природная среда (дефицит некоторого вида сырья); 4. научно-техническая среда; 5…. [читать подробенее]

Дыхание бактерий

Дыхание является самой совершенной формой окислительного процесса и наиболее эффективным способом получения энергии.

Главное преимущество дыхания состоит в том, что энергия окисляемого вещества — субстрата, на котором микроорганизм растет, используется наиболее полно.

Поэтому в процессе дыхания перерабатывается гораздо меньше субстрата для получения определенного количества энергии, чем, например, при брожениях.

Рис.10. Роль пировнноградной кислоты в процессах дыхания и брожения.
Процесс дыхания заключается в том, что углеводы (или белки, жиры и другие запасные вещества клетки) разлагаются, окисляясь кислородом воздуха, до углекислого газа и воды.

Выделяющаяся при этом энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов, рост и размножение. Бактерии вследствие ничтожно малых размеров своего тела не могут накапливать значительного количества запасных веществ.

Поэтому они используют в основном питательные соединения среды. В общем виде дыхание можно представить следующим уравнением: С6Н12О6 + 602 = 6С02 + 6Н20 + 2,87-106 дж.

глюкоза кислород углекислый газ вода энергия За этой простой формулой скрывается сложная цепь химических реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.

Рис. 11. Схема гликолитического пути расщепления углеводов. Ферментативные реакции, происходящие в процессе дыхания, в настоящее время хорошо изучены. Схема реакций оказалась универсальной, т. е. в принципе одинаковой у животных, растений и многих микроорганизмов, в том числе бактерий.

Процесс дыхания при окислении глюкозы складывается из следующих основных этапов (рис. 10).

Сначала происходит образование фосфорных эфиров глюкозы — моноaктивированная глюкоза в форме дифосфата далее расщепляется на два триозофосфата (трехуглеродные соединения): фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетон-фосфат, которые могут обратимо превращаться друг в друга.

Рис. 12. Цикл трикарбоновых кислот. Стрелками показано направление, а номерами — порядок реакций. Далее в обмен вступает фосфоглицериновый альдегид, он окисляется в дифосфо-глицериновую кислоту.

Назначение этого процесса заключается в отщеплении атомов водорода от окисляемого субстрата и переносе водорода с помощью специфических окислительных ферментов к кислороду воздуха (см. рис. 10, 11). Водород от фосфоглицеринового альдегида присоединяется к ферменту — никотин-амиддинуклеотиду (НАД); при этом альдегид окисляется до кислоты и выделяется энергия.

Часть этой энергии тратится на образование АТФ; при этом присоединяется фосфорная кислота к аденозиндифосфат у— АДФ. При гидролизе АТФ энергия освобождается и может быть затрачена на различные процессы синтеза белка и другие нужды клетки. Фосфоглицериыовая кислота окисляется до пировиноградной кислоты. При этом также образуется АТФ, т. е. запасается энергия.

На этом завершается первая — анаэробная — стадия процесса дыхания, которая носит название гликолитического пути или пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса. Для осуществления этих реакций кислород не требуется. Образовавшаяся пировиноградная кислота (СН3СОСООН) является интереснейшим и очень важным соединением.

Пути расщепления глюкозы в процессе дыхания и многих брожений, вплоть до образования пировиноградной кислоты, идут совершенно одинаково, что впервые было установлено русским биохимиком С. П. Костычевым.

Пировиноградная кислота является тем центральным пунктом, от которого расходятся пути дыхания и брожений, откуда начинается специфическая для данного процесса цепь ферментативных превращений -специфическая цепь химических реакций (рис. 11). В процессе дыхания пировиноградная кислота вступает в цикл трикарбоновых кислот (рис. 12).

Это сложный замкнутый круг превращений, в результате которых образуются органические кислоты с 4, 5 и 6 атомами углерода (яблочная, молочная, фумаро-вая, а-кетоглутаровая и лимонная) и отщепля-«тся углекислота.

Прежде всего от пировиноградной кислоты, содержащей три атома углерода, отщепляется СО2 — образуется уксусная кислота, которая с коферментом А образует активное соединение — ацетилкоэнзим А. Он передает остаток уксусной кислоты (ацетил) на щавелевоуксусную кислоту <4 атома углерода), и образуется лимонная кислота (6 атомов углерода).

Лимонная кислота претерпевает несколько превращений, в результате выделяется С02 и образуется пяти-углеродное соединение — а-кетоглутаровая кислота. От нее тоже отщепляется С02 (третья молекула углекислого газа), и образуется янтарная кислота (4 атома углерода), которая затем превращается в фумаровую, яблочную и, наконец, щавелевоуксусную кислоту. На этом цикл замыкается.

Щавелевоуксусная кислота снова может вступить в цикл. Таким образом, в цикл вступает трехуглерод-ная пировиноградная кислота, и по ходу превращений выделяются 3 молекулы С02.

Водород пировиноградной кислоты, освобождающийся при дегидрировании в аэробных условиях, не остается свободным — он поступает в дыхательную цепь (так же, как водород глицеринового альдегида, отнятый при превращении его в глицериновую кислоту). Это — цепь окислительных ферментов.

Ферменты, которые первыми берут на себя водород от окисляемого субстрата, называются первичными дегидрогеназами. В их состав входят диили трипиридин-нуклео-тиды: НАД или НАДФ и специфический белок.

Механизм присоединения водорода — один и тот же: Окисляемое вещество — Н2 + НАД -> окисленное вещество + НАД*Н2 Водород, полученный дегидрогеназой, затем присоединяется к следующей ферментной системе — флавиновым ферментам (ФМН или ФАД). От флавиновых ферментов электроны попадают на цитохромы — железосодержащие протеиды (сложные белки).

По цепи цитохро-мов передается не атом водорода, а только электроны. При этом происходит изменение валентности железа: Fe++ — e->Fe++ Заключительная реакция дыхания — это присоединение протона и электрона к кислороду воздуха и образование воды. Но прежде происходит активирование молекулы кислорода под действием фермента цитохромоксидазы.

Активирование сводится к тому, что кислород приобретает отрицательный заряд за счет присоединения электрона окисляемого вещества. К активированному кислороду присоединяется водород (протон), образуя воду. Кроме упомянутой цепи переносчиков электронов и водорода, известны и другие. Процесс этот гораздо более сложен, чем изложенная схема.

Биологический смысл этих превращений заключается в окислении веществ и образовании энергии, В результате окисления молекулы сахара (глюкозы) в АТФ запасается 12,6-1053ж энергии, в самой молекуле сахара содержится 28,6-106 дж, следовательно, полезно используется 44% энергии. Это очень высокий коэффициент полезного действия, если сравнить его с к. п. д. современных машин.

В процессе дыхания образуется огромное количество энергии. Если вся она выделилась бы сразу, то клетка перестала бы существовать. Но этого не происходит, потому что энергия выделяется не вся сразу, а ступенчато, небольшими порциями.

Выделение энергии небольшими дозами обусловлено тем, что дыхание представляет собой многоступенчатый процесс, на отдельных этапах которого образуются различные промежуточные продукты (с разной длиной углеродной цепочки) и выделяется энергия. Выделяющаяся энергия не расходуется в виде тепла, а запасается в универсальном макроэр-гическом соединении — АТФ.

При расщеплении АТФ энергия может использоваться в любых процессах, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма: на синтез различных органических веществ, механическую работу, поддержание осмотического давления протоплазмы и т. д. Дыхание является процессом, дающим энергию, однако его биологическое значение этим не ограничивается.

В результате химических реакций, сопровождающих дыхание, образуется большое количество промежуточных соединений. Из этих соединений, имеющих различное количество углеродных атомов, могут синтезироваться самые разнообразные вещества клетки: аминокислоты, жирные кислоты, жиры, белки, витамины. Поэтому обмен углеводов определяет остальные обмены веществ (белков, жиров). В этом его огромное значение. С процессом дыхания, его химическими реакциями связано одно из удивительных свойств микробов — способность испускать видимый свет — люминесцировать. Известно, что ряд живых организмов, в том числе бактерии, могут испускать видимый свет. Люминесценция, вызываемая микроорганизмами, известна уже в течение столетий. Скопление люминесцирующих бактерий, находящихся в симбиозе с мелкими морскими животными, иногда приводит к свечению моря; с люминесценцией встречались также при росте некоторых бактерий на мясе и т. д.

К основным компонентам, взаимодействие между которыми приводит к испусканию света, относятся восстановленные формы ФМН или НАД, молекулярный кислород, фермент люцифераза и окисляемое соединение — люциферин. Предполагается, что восстановленные НАД или ФМН реагируют с люциферазой, кислородом и люциферином, в результате чего электроны в некоторых молекулах переходят в возбужденное состояние и возвращение этих электронов на основной уровень сопровождается испусканием света. Люминесценцию у микробов рассматривают как «расточительный процесс», так как при этом энергетическая эффективность дыхания снижается.

Источник