Современные достижения микробиологии и их внедрение в практику сельского хозяйства

1. Современные достижения микробиологии и их внедрение в практику сельского хозяйства
2. Роль ферментов в жизнедеятельности микробной клетки. Классификация ферментов. Экзо- и эндоферменты

Ферменты и химический состав микробной  клетки

Изучением жизненных функций микроорганизмов, таких как питание, дыхание, рост и размножение, занимается физиология.

В основе физиологических функций лежит  непрерывный обм6ен веществ –  метаболизм.

Сущность  обмена веществ составляют два противоположных  и вместе с тем взаимозависимых  процесса: ассимиляция (анаболизм) и диссимиляция (катаболизм).

В процессе ассимиляции происходит усвоение питательных  веществ и использование их для  синтеза клеточных структур.

При процессах  диссимиляции питательные вещества, разлагаются и окисляются. При  этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки.

В результате распада питательных веществ, происходит расщепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для синтетических реакций и включаются в процессы ассимиляции.

Все процессы синтеза и распада питательных  веществ совершаются с участием ферментов. Микроорганизмы содержат ферменты, благодаря которым осуществляют функции обмена веществ.

Ферменты – это вещества сложной природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

По  химическому строению, свойствам  и механизму действия ферменты микробов сходны с ферментами, образующимися в клетках и тканях животных и растительных организмов.

Ферменты  микробной клетки в основном локализуются в цитоплазме, некоторые же содержатся в клеточной оболочке.

Микроорганизмы  синтезируют ферменты, относящиеся  к шести классам: оксидоредуктазы, лиазы, трансферазы, лигазы, гидролазы, изомеразы.

Характерными  свойствами ферментов является специфичность  их действия, т.е. каждый фермент реагирует  с определенным субстратом или катализирует одну или несколько близких химических реакций.

Ферменты  микроорганизмов классифицируется на экзоферменты и эндоферменты, на конститутивные и индуктивные (адаптивные).

Экзоферменты, выделяясь в окружающую среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ  до более простых соединений, которые  могут быть усвоены микробной клеткой. К экзоферментам относятся гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате гидролиза белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры – на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды) – на дисахариды и моносахариды. Расщепление белков вызывают ферменты протеазы, жиров – липазы, углеводов – карбогидразы.

Эндоферменты  участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

Конститутивные  ферменты постоянно находятся в  микробной клетке независимо от условий ее существования. Это в основном ферменты клеточного обмена – протеазы, липазы, карбогидразы и др.

Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются  в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной  среде и когда микроорганизм вынужден усваивать этот субстрат. Индуктивные ферменты позволяют микробной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Обмен веществ микроорганизмов включает два основных процесса – получение  энергии (энергетический обмен) и биосинтез веществ клетки (конструктивный обмен).

Конструктивный  и энергетический процессы представляют различные стороны единого обмена веществ. Они протекают в клетке в виде сопряженных химических реакций. Нередко для конструктивных и  энергетических целей используется одно и тоже вещество.

Чтобы осуществлять биосинтез, расти и  размножаться клетка должна получать извне в необходимых количествах  все содержащиеся в ней элементы и должна быть обеспечена источником энергии.

Для понимания  процессов обмена веществ, происходящих в микробных клетках, необходимо знать химический состав микроорганизмов.

Бактерии, спирохеты, микоплазмы, актиномицеты, риккетсии, хламидии, несовершенные  и дрожжеподобные грибы, простейшие содержат те же химические вещества, что  и клетки всех живых организмов.

В наибольшем количестве в клетках содержатся углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами –  органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов.

В значительном количестве в клетке обнаруживаются фосфор и сера, в небольшом количестве – микроэлементы (Fe, Mg, Mn, Cu, K, Ca, Na, Zn и др.) Все эти элементы в клетке находятся в различных соединениях. Большая их часть представлена органическими соединениями, входящими в состав «сухого вещества», на долю которого приходится 15 – 20%. Но самым значительным компонентом клетки в количественном отношении является вода, которая составляет 75 – 85%.

Значение  воды в жизнедеятельности клетки очень велико. Все вещества поступают  в клетку с водой и с ней же из клетки удаляются продукты обмена.

Вода  в микробной клетке находится  в свободном состоянии как  самостоятельное соединение, но большая  ее часть связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.

Свободная вода принимает участие в реакциях, протекающих в клетке, является растворителем  различных химических соединений, а  также служит дисперсной средой для  коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста (у споровых форм микробов воды меньше, чем у вегетативных клеток, наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий).

Белки составляют 50 – 80% сухого вещества и определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки – протеины и сложные белки – протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопротеиды – соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Кроме нуклеопротеидов в микробной клетке содержатся в незначительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.

Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде. Они входят в состав структуры  клеточной стенки. Белковую природу  имеют ферменты, многие токсины (яды микроорганизмов).

От  количественного и качественного  состава белковых веществ зависит  видовая специфичность микроорганизмов.

Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют  те же функции, что и в клетках  животного происхождения.

ДНК содержится в нуклеоиде и обуславливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, cодержится в ядерной субстанции и в цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кислот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

Углеводы  составляют 12 – 18% сухого вещества и  используются микробной клеткой  в качестве источника энергии  и углерода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная  оболочка, капсула и пр.).

Углеводы  входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.

Клетки  микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) углеводы. У некоторых  бактерий могут быть включения, напоминающие по химическому составу гликоген и крахмал, играющих роль запасных веществ в клетке.

Углеводный  состав у разных видов микроорганизмов  различен и зависит от их возраста и условий развития.

Липиды, составляющие 0,2 – 40% сухого вещества, являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Они участвуют в энергетическом обмене. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.

Липиды  состоят в основном из нейтральных  жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее  количество их зависит от возраста и вида микроорганизмов. В клетках микроорганизмов липиды могут быть связаны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Минеральные вещества – фосфор, натрий, калий, магний, сера, железо, хлор и другие – в среднем составляют 2 – 14% сухого вещества.

Фосфор  входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих ферментов, а также  в состав АЕФ, которая является аккумулятором  энергии в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах. Магний входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных микробных клеток.

Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых  ферментов и активируют их. Соотношение  отдельных химических элементов  в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизмов, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.

 

3. Симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы.  Сущность симбиоза. Влияние внешних факторов на их развитие. Значение

Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур. 

Биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы, способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота — азота удобрений.

В земной коре общее  содержание азота (молекулярного и  в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле  находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха — чистый молекулярный азот.

Содержание  доступного растениям азота в  почве обычно невелико. Поэтому повышение  урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь  с улучшением их азотного питания.

Дефицит азота  в значительной степени компенсируется биологическим путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.  

Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободноживущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих.

Данные палеонтологии  свидетельствуют о том, что самыми древними бобовыми культурами, имевшими клубеньки, были некоторые растения, принадлежащие к группе Eucaesalpinioideae. 

У современных видов бобовых  растений клубеньки обнаружены на корнях многих представителей семейства Рарilijоnасеае. Филогенетически более примитивные представители таких семейств, как Caesalpiniaceae Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не образуют. 

Из 13 000 видов (550 родов) бобовых  растений наличие клубеньков выявлено пока только приблизительно у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся  виды растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200).

Сформировав клубеньки, бобовые  растения приобретают способность  усваивать атмосферный азот. Однако они способны питаться и связанными формами азота — солями аммония  и азотной кислоты. Лишь одно растение — копеечник (Hedysarum coronarium) — ассимилирует только молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в природе это растение не встречается. 

Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который  фиксируют из воздуха. Растения же, в свою очередь, поставляют бактериям  продукты углеводного обмена и минеральные соли, необходимые им для роста и развития.

В 1866 г. известный ботаник и почвовед М. С. Воронин увидел в клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии. 

20 лет спустя голландский  ученый Бейеринк выделил из  клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии  и изучал их свойства, проверив способность заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых бактерий — Rhizobium (от греч. rhizo — корень, bio — жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется в литературе до сих пор. 

Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium trifolii — клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и т. д.

Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм — полиморфность. На это обращали внимание многие исследователи, изучая клубеньковые бактерии в чистой культуре в лабораторных условиях и почве. Клубеньковые бактерии могут быть палочковидными и овальными. Среди этих бактерий встречаются также фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы.

Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных средах обычно имеют палочковидную форму (рис. 143, 2, 3), размер палочек примерно 0,5—0,9 X 1,2—3,0 мкм, подвижные, размножаются делением.