Шпаргалка по дисциплине"Микробиология"

*Азотфиксация – аэробный процесс  связывания неорганического азота  атмосферы и перевод его в  форму нитритов и нитратов, доступную  для использованиями другими организмами. Процесс осуществляется азотфиксирующими бактериями, способными усваивать атмосферный азот в симбиозе с высшими растениями (симбиотические азотфиксаторы) и свободноживущими азотфиксаторами.

К симбиотическим относятся клубеньковые бактерии рода Rhizobium, поселяющиеся в корнях высших растений.

Свободноживущими микробами, обогащающими почву соединениями азота в процессе его фиксации, являются бактерии  родов Azotobacter (1901 г., Бейеринк), Clostridium (вид Cl.pаsteurianum, 1893 г., Виноградский), Nostoc.

Свободноживущие диазотрофы подразделяются на следующие группы:

хемотрофные микроорганизмы, которым относятся анаэробные сульфатредукторы Clostridium, аэробные гетеротрофы Bacillus, семейство Enterobacteriaceae и метанотрофы; 

фототрофные микроорганизмы, к которым относятся пурпурные, зеленые бактерии, гелиобактерии, цианобактерии.

Свободноживущих азотфиксаторов можно подразделить на истинно свободных и ассоциативных, входящих в состав ризосферы.

Из ризосферы обычно выделяют Azotobacter и Enterobacteriaceae.

Среди симбиотических бактерий наиболее распространены актинобактерии рода Frankia (образуют клубеньки на корнях и листьях) и Rhizobium.

При вступлении в симбиоз часто меняют морфологию, внедряются в ткани растений и преобразуют их за счет выделения леггемоглобина. Этот белок-фермент состоит из гема, синтезируемого бактериальным компонентом и белкового компонента, вырабатываемого растением.

Симбиотические бактерии могут продолжать азотфиксацию в чистой культуре при отделении от растительного сожителя при пониженном парциальном давлении, хотя азотфиксация и менее эффективна. 

Механизмы встречи симбионтов:

-растения выделяют белки-аттрактанты  для микроорганизмов;

-почвенные микроорганизмы синтезируют ростовые факторы для растений;

-зона корня – зона повышенной  концентрации питательных веществ.

нитрогеназный ферментный комплекс позволяет осуществлять фиксацию азота. Состоит из Fe-белка (64 кДа, 4 атома Fe)  и  MoFe-белка (220 кДа, 2 атома Мо и от 28 до 32 атома Fe). Нитрогеназа кодируется nif-компактным кластером. Молекулярный азот стабилен, для разрыва атомарных связей необходима энергия, которая затрачивается в виде АТФ. Нитрогеназа активна только в присутствии обоих белков, но они взаимозаменяемы у разных видов. Нитрогеназная система может восстанавливать и другие вещества, кроме Н+, например этилен в ацетилен. В отсутствии азота при условии активности нитрогеназы будет выделяться водород.

У симбиотических азотфиксаторов нитрогеназный комплекс аналогичен и взаимозаменяем, как для анаэробов, так и для аэробов. Комплекс весьма чувствителен даже к следовым количествам кислорода. В результате эволюционных процессов различные роды бактерий создали свои стратегии защиты нитрогеназы от воздействия кислорода

Цианобактерии имеют толстую клеточную стенку, защищающую от проникновения кислорода внутрь клетки, вырабатывают оксидазу.

Azotobacter имеет развитую слизистую  капсулу, вырабатывает оксидазу, имеющую  высокое сродство к кислороду (до 10-7 моль). Нитрогеназа обладает компактной укладкой, препятствующей воздействию кислорода.

Клубеньковые бактерии имеют самую высокую степень защиты от воздействия кислорода. Растение вырабатывает леггемоглобин, который активизирует оксидазу и повышает ее сродство к кислороду до 10-9 моль.

Вывод:

Только прокариоты способны использовать запасы азота, содержащиеся в атмосфере, – фиксировать молекулярный азот. Они переводят инертный N2 в органические соединения и включают его (непосредственно или через растения) в белок, который в конечном счете попадает в почву.

Азотфиксация по значению сопоставима с процессом фотосинтеза, т.к. недоступный азот атмосферы (около 75 % всех газов) переводится в доступную форму.

Азотфиксирующих бактерий можно использовать как живые удобрения для внесения в почву.

Диазотрофия замыкает цикл азота на Земле.

Способностью к диазотрофии обладают 80 родов эубактерий и 3 рода термоархеев.

 

 

47. Питание микроорганизмов. Источники азота. Характеристика  процессов  нитрификации, денитрификации.

Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из неорганических соединений.

У гетеротрофов по отношению к источнику азота, как и по отношению к источнику углерода, проявляется избирательность.

Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина.

Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества, так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны.

К числу реакций превращения азотсодержащих веществ микробами относятся процессы: азотфиксация; нитрификация; денитрификация; аммонификация.

*Нитрификация – процесс окисления  солей аммиака в соли азотной  кислоты.

Процесс двухфазный

Первой фазой является окисление солей аммония до нитритов и осуществляется нитрозобактериями (рода Nitrosobacter, Nitrosomonas и др.), катализируется монооксигеназа. Атомарный кислород доставляется из молекулярного кислорода.

Второй фазой происходит окисление нитритов до нитратов с помощью ферментов бактерий родов Nitrobacter, Nitrospira. Этап катализирует гидроксиламиноксидоредуктаза, при окислении гидрокисламина и нитритов электроны переносятся на цитохром а и эти этапы являются энергетически полезными.

При окислении образуется ряд промежуточных продуктов:

NH3          NH2OH        [NOH]             NO2-        NO3-

Бактерии, участвующие в окислении нитритов доставляют питательный субстрат для нитробактерий, а последние освобождают нитрозобактерии от продуктов метаболизма.

Процесс нитрификации имеет важное значение в круговороте азота в природе.

Жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий является существенным фактором, влияющим на плодородие почв и развитие растительности.

В процессах естественного очищения водоемов нитрификаторы выполняют функцию окисления весьма токсичного вещества – аммиака.

* Денитрификация – процесс восстановления  нитратов в анаэробных условиях  до конечного продукта – молекулярного  азота. Проводится он довольно  большим количеством микроорганизмов и называется «нитратное дыхание».

Суммарно процесс денитрификации можно выразить следующим уравнением:

С6Н12О6 + 4NO2 = 6CО2 + 6H2О + 2N2

Денитрификацию вызывают микроорганизмы, широко распространенные в почве, навозе, на поверхности и корнях растений, – Pseudomonas fluorescens, Ps. aerugenosa, Ps. stutzeri, Ps. azotoformans, Thiobac. denitrificans и др.

 

48. Питание микроорганизмов. Источники азота. Характеристика  процесса аммонификации. Возбудители  гниения белковых веществ. 

У гетеротрофов по отношению к источнику азота, как и по отношению к источнику углерода, проявляется избирательность.

Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина.

Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества, так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны.

К числу реакций превращения азотсодержащих веществ микробами относятся процессы: азотфиксация; нитрификация; денитрификация; аммонификация.

Распад органических азотсодержащих соединений до его минеральных форм носит название аммонификации. Гниение или аммонификация белковых азотсодержащих веществ происходит под действием бактерий, обладающих способностью продуцировать протеолитические ферменты.

К таковым микроорганизмам относят бактерии рода Bacillus – Вас. mycoides, Вас. mesentericus, Вас. megatherium, Вас. subtilis, рода Proteus – Pr. vulgaris, рода Pseudomonas – Ps. aeruginosa, Ps. fluorescens и некоторые другие микроорганизмы. Указанные микробы с помощью ферментов расщепляют органические азотсодержащие вещества до аммонийных солей, чаще всего токсичных для живых организмов. 

Все животные на земле ежедневно выделяют до 200 000 т мочевины, которая под действием уробактерий, выделяющих уреазу, переходит в углеаммиачную соль – нестойкое соединение, разлагающееся на аммиак, углекислый газ и воду: 

CO(NH2)2 + 2Н2О = (NH4)2CO3=> 2NH3 + СО2 + Н2О

Под действием протеолитических ферментов микроорганизмов происходит распад белковых веществ с образованием аммиака NH3, мочевины NH2-C-NH2, летучих оснований: оксиметиламина (ОТМА), триметиламина (ТМА), диметиламина (ДМА), метиламина (МА).   

При гниении белки под действием ферментов микроорганизмов расщепляются до аминокислот. Затем происходит дезаминирование и декарбоксилирование аминокислот с образованием вредных для организма веществ: аммиака, сероводорода, индола, скатола, кадаверина, путресцина, гистамина, нейрина, муравьиной, щавелевой, масляной кислоты и других веществ.

При декарбоксилировании аминокислот орнитина и лизина образуются предшественники трупных ядов путресцин и кадаверин. Из аминокислоты триптофана после разрушения ферментами бактерий боковой цепи образуются индол и скатол - ядовитые для организма вещества с неприятным запахом. В результате бактериального разложения белка гистидин может быть декарбоксилирован до гистамина.

К микроорганизмам, вырабатывающим ферменты и расщепляющим гистидин, относятся бактерии родов Proteus, Escherichia, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, некоторые виды Hafnia, а также кислотоустойчивые микроорганизмы Lactobacillus и др.

 

49. Питание микроорганизмов. Источники серы. Восстановление  и окисление серы и серосодержащих  веществ. Сульфатредукция.

В природе сера находится в виде неорганических солей, главным образом сульфатов, в виде молекулярной элементарной серы и в составе органических веществ (аминокислот, витаминов, кофакторов). Процессы, в которых бактерии включают серу и ее соединения в свой метаболизм можно разделить на окисление элементарной серы и ее восстановленных соединений и сульфатредукцию.

#Окисление восстановленных соединений  серы

Способностью получать энергию в результате окисления восстановленных соединений серы обладают грамотрицательные бактерии с полярно расположенными жгутиками, объединяемые в роды Thiobacillus и Thiomicrospira, а также неподвижные термофильные бактерии рода Sulfolobus.

Большинство тиобацилл может окислять различные соединения серы, образуя в качестве конечного продукта сульфат:

S2-   +  2О2  =  SО42-

S   +   Н2О   +   1,5O2 = SО42- + 2Н +

S2O32- + Н2О + 2О2   =  2SО42- + 2Н +

Многие тиобациллы облигатные хемолитоавтотрофы, фиксирующие СО2.

Другие (Т. novellas, Т. intermedius) способны также использовать в качестве источников энергии и углерода органические соединения. Т. thiooxidans образует большие количества серной кислоты и хорошо переносит низкие значения рН среды.

# Декарбоксилирование серосодержащих аминокислот

В результате декарбоксилирования серосодержащих аминокислот образуются меркаптаны, метиламин, серводород, метан.

* Диссимиляционная сульфатредукция  – анаэробный процесс восстановления  сульфатов до сероводорода («сульфатное  дыхание»). Главным продуктом реакции  является сероводород:

8[H] + SO4 2-  =  H2S + 2H2O + 2OH-

К сульфатредукторам относят бактерии 7 группы по классификатору Берджи родов, имеющих приставку Desulfo-.

Бактерии-сульфатредукторы разнообразны:

роды Desulfotomaculum и Desulfobacter представлены палочковидными бактериями

род Desulfovibrio – изогнутыми бактериями

род Desulfogigas – спириллами

роды Desulfococcus и Desulfosarcina – кокками

род Desulfonema – нитчатыми формами.

По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих бактерий:

Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообразующего рода Desulfotоmaculum и неспорообразующего рода Desulfovibrio.

Вторая группа включает роды и виды, часть которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum acetoxidans), а также неспорообразующие палочки (Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сарцины (Desulfosarcinа), нитевидные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema),и некоторые другие бактерии.

*Ассимиляционная сульфатредуция. Почти все бактерии, грибы и  зеленые растения способны использовать  в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серосодержащих аминокислот, путем ассимиляционной сульфатредукции.

Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для ассимиляционного восстановления сульфата.

Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТФ; с помощью АТФ-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТФ обменивается на сульфат: