Питание микроорганизмов

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………………………3
2. Потребность в химических элементах…………………………………………………………4
3. Классификация микроорганизмов по способам питания. Сущность автотрофного и гетеротрофного питания. Сапрофиты и паразиты……………………………………………6
4. Типы питания…………………………………………………………………………………..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Для роста микроорганизмов необходима вода. Питательные вещества – это  растворенные в воде соединения, из которых микроорганизмы строят свои клетки и получают энергию. Требования, предъявляемые различными микроорганизмами в отношении состава питательной среды и прочих условий, весьма разнообразны. В связи с этим было предложено очень много рекомендаций по составлению питательных сред для различных микроорганизмов. В принципе питательные среды должны отвечать следующим минимальным требованиям: в них должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка, в такой форме, в которой микроорганизмы способны их усваивать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потребность в химических элементах

По количественному вкладу в построение клетки различают макро- и микроэлементы. К первым относятся десять элементов, содержащихся во всех организмах: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний и железо (С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe). Микроэлементы, или следовые элементы, - это марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, никель, ванадий, бор, хлор, натрий, селен, кремний, вольфрам и другие, в которых нуждаются не все организмы. Большинство из этих микроэлементов, необходимых лишь в следовых количествах, содержатся в качестве примесей в солях макроэлементов, а также попадают в питательную среду из стекла лабораторной посуды и с пылью. Поэтому для выявления потребности в некоторых микроэлементах нужны особые методы.Всем микроорганизмам для осуществления процессов метаболизма, обеспечивающих синтез соединений, из которых построена клетка, а также обеспечивающих расщепление веществ для получения энергии, необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ  и источника энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения.

Процесс питания микроорганизмов  имеет ряд особенностей: во –  первых, поступление питательных  веществ происходит через всю  поверхность клетки, во – вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций, в третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания.

Разнообразие условий существования  микроорганизмов обуславливает  различные типы питания.

Обязательными элементами, входящими в состав основного соединения (белка) служат четыре органогена – кислород, водород, углерод и азот.

Источники углерода и энергии. Организмы, получающие энергию с помощью фотосинтеза или путем окисления неорганических соединений, способны в большинстве своем использовать СО₂ в качестве главного источника углерода. Эти С-автотрофные организмы восстанавливают СО₂. Все остальные организмы получают клеточный углерод главным образом из органических веществ. Последние, как правило, служат источниками как энергии, так и углерода; частично они ассимилируются для построения клеток, частично окисляются для получения энергии. Из природных органических соединений на Земле количествен но преобладают полисахариды - целлюлоза и крахмал. Структурные элементы этих полимерных соединений - молекулы глюкозы - могут использоваться очень многими микроорганизмами. Микроорганизмы, однако, способны использовать и все другие органические соединения, образующиеся естественным путем.

Добавочные вещества. Помимо элементов минерального питания и источников углерода и энергии многие организмы нуждаются еще в некоторых дополнительных веществах, называемых факторами роста. Эти вещества входят в основной состав клетки, но некоторые организмы не способны их синтезировать сами. Такие факторы роста относятся к трем группам соединений - к аминокислотам, пуринам и пиримидинам, а также к витаминам. Аминокислоты, пурины и пиримидины - составные части белков и нуклеиновых кислот, поэтому клетка нуждается в достаточных количествах этих соединений. Витамины же входят в состав коферментов или простетических групп и, таким образом, участвуют в каталитических функциях; поэтому они необходимы только в очень малых количествах (табл. 6.2). Организмы, нуждающиеся в факторах роста, называют ауксотрофными и противопоставляют прототрофным организмам, которым такие факторы не нужны.

Сера и азот. Оба элемента содержатся в клетке главным образом в восстановленной форме - в виде сульфгидрильных групп или соответственно аминогрупп. Большинство микроорганизмов способно поглощать эти элементы в их окисленной форме, в виде сульфата и нитрата, которые они могут восстанавливать. Наиболее обычный источник азота для микроорганизмов - соли аммония. Некоторые прокариоты способны восстанавливать молекулярный азот (N₂); другие в качестве источника азота нуждаются в аминокислотах, в которых азот содержится уже в связанном виде. Не все микроорганизмы могут также восстанавливать сульфат; некоторым в качестве источника серы нужен сероводород или цистеин.

Кислород входит в состав воды и вместе с ней поступает в распоряжение клеток. Кроме того, он содержится в СО₂ и многих органических соединениях. Многим организмам помимо этого необходим молекулярный кислород (О₂). Главная функция О₂ состоит в том, что он служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании; О₂ при этом восстанавливается до воды. В вещество клетки атомы кислорода, происходящие из О₂, включаются только в том случае, если источниками углерода служат метан, углеводороды с длинной цепью или ароматические углеводороды.

Источником водорода и кислорода  для микроорганизмов служит вода. Вода необходима микробным клеткам  и для растворения питательных  веществ, так как они могут  проникать в клетку только в растворенном виде.

Источником азота и углерода для большинства микроорганизмов являются различные химические соединения (органические и неорганические). Некоторые виды микроорганизмов способны усваивать элементарный азот непосредственно из воздуха, а углерод – из углекислоты.

 

Классификация микроорганизмов  по способам питания. Сущность автотрофного и гетеротрофного питания. Сапрофиты и паразиты.

В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют на ряд групп  в зависимости от источников потребления  энергии и углерода. Так, выделяют фототрофы, пользующиеся энергией солнечного света, и хемотрофы, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.

В зависимости от того, в какой  форме микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две группы: автотрофные ("сами себя питающие"), использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода, и гетеротрофные ("питающиеся за счет других"), получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений.

Таким образом, по способу получения  энергии и углерода микроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и  хемогетеротрофы. Внутри группы в зависимости  от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы. Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания.

Каждой группе микроорганизмов  присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.

При фототрофии источник энергии - солнечный  свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С02 и неорганических соединений (Н20, Н2S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез. К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий.

Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С02 до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды:

 

С02 + Н20 свет-› (СH2 O) * + O2

 

Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.

Для восстановления С02 в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н25. При  этом в цитоплазме накапливаются  гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты:

 

С02 + 2Н2S свет-› (СH2 O) + Н2 + 2S

3CO2 + 2S + 5H2O свет-› 3 (СН20) + 2Н2S04

 

Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными анаэробами.

Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды. Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^"2.

Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии  помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные  несерные бактерии.

Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды. Они не способны окислять сероводород (Н2S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду.

При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения. Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н2, NH4+, N02-, Fе2+, Н2S, S°, S0з2 - , S20з2-, СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.

Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был  открыт в 1887-1890 гг. известным русским  микробиологом С.Н. Виноградским. Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д.

Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции:

 

NH3 + 11/2 02 - HN02 + Н20 + 2,8 • 105 Дж

HN02 + 1/2 02 - HN03 + 0,7 • 105 Дж

Н2S + 1/2 02 - S + Н20 + 1,7• 105Дж

S + 11/2 02 - Н2S04 + 5,0 • 105 Дж

Н2 + 1/2 02 - Н20 + 2,3 • 105 Дж

2FеС03 + 1/2 02 + ЗН20 - 2Fе (ОН) 3 + 2С02 + 1,7 •  105 Дж

 

Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений. Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.

Среди хемоорганогетеротрофов выделяют сапротрофов, живущих за счет разложения мертвых органических материалов, и паразитов, питающихся в тканях живых организмов. В последнем случае имеются в виду паратрофия и паратрофы, т.е. облигатные внутриклеточные паразиты, которые вне клетки хозяина развиваться не могут (риккетсии и др.).

Считают, что из известных наиболее широко распространены в живом мире два типа питания - фотолитоавтотрофия и хемоорганогетеротрофия. Первый тип  питания характерен для высших растений, водорослей и ряда бактерий, второй - для животных, грибов и многих микроорганизмов. Остальные типы питания встречаются лишь у отдельных групп бактерий, живущих в особых, специфичных условиях среды.

Установлена способность многих микроорганизмов  переходить с одного типа питания  на другой. Например, водородокисляющие бактерии при наличии 02, на средах с углеводами или органическими кислотами способны переключаться с хемолитоавтотрофии на хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативными хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, не способные расти в отсутствие специфичных неорганических доноров электронов (например, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называют облигатными хемолитоавтотрофами.

У микроорганизмов отмечена и так  называемая миксотрофия. Это тип  питания, при котором микроорганизм - миксотроф - одновременно использует различные возможности питания, например, сразу окисляя органические и минеральные соединения, или источником углерода для него одновременно могут служить диоксид углерода и органическое вещество и т.д.

В природе широко распространены микроорганизмы, источниками энергии и углерода для которых служат одноуглеродные соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данные микроорганизмы называют С1 использующими формами, или метилотрофами, а тип их питания - метилотрофией. В группе метилотрофных бактерий выделяют облигатные и факультативные виды. Первые способны расти в результате использования только одноуглеродных соединений, вторые - и на средах с другими веществами. Среди метилотрофов есть микроорганизмы разных систематических групп.