Микроорганизмы и важнейшие химические факторы среды обитания

Константиновна, к.б.н., доцент
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное

образовательное учреждение
высшего образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии

алкалофилы.
Влияние рН среды на формирование трансмембранного электрохимического потенциала в бактериальной

клетке.

Питательные вещества
Копиотрофы
Олиготрофы. Классификация
Особенности олиготрофов

Токсичные вещества для микроорганизмов
Степень токсичности вещества
Взаимодействие с металлами
Антибиотики
Антисептики

нейтральный рН=7

действует на организм
прямо (непосредственное воздействие H+ на заряд мембраны и протекание окислительно-восстановительных реакций) или
косвенно (через влияние на ионное состояние и доступность многих неорганических ионов и метаболитов, стабильность макромолекул, равновесие электрических зарядов на поверхности клетки).

Воздействие рН на микроорганизмы

оказывает сильное влияние на характер и распределение гидробионтов. В морской

воде рН близок к нейтральному значению. В период максимального фотосинтеза в обычных пресных озерах наблюдаются колебания рН от 6,3 (ночью) до 10,1 (днем). Водородный показатель может варьироваться в водоемах в очень широких пределах: от рН 2 - в вулканических озерах до рН 12 - в степных и пустынных содовых озерах. При крайних значениях рН формируются ацидофильные или алкалофильные сообщества микроорганизмов.)
Способность к росту при низких или высоких значениях рН обеспечивает организму определенные преимущества, так как в этих условиях мала конкуренция со стороны большинства других организмов. Однако некоторые бактерии - облигатные формы - не просто переносят высокие концентрации Н+ или ОН-, но и нуждаются в этих ионах для роста и стабильности, т. е. это результат эволюционной адаптации. Так, Thermoplasma acidophilum лизируется при рН выше 5,0.

ионов поддерживается в довольно узком диапазоне, оптимальном для роста большинства

прокариот, предпочитающих нейтральные или слабощелочные условия.

Довольно часто встречаются умеренно кислые природные среды, имеющие pH около 3 — 4. Это многие озера, кислые болота, некоторые истощенные почвы, дренажные воды, рудничные стоки. К наиболее кислым из природных сред, вероятно, относятся горячие кислые источники и окружающие их горячие кислые почвы, pH которых может достигать 1. Из этих мест были выделены бактерии, являющиеся одновременно термофилами и ацидофилами. Это Sulfolobus acidocaldarius, S. Acidocaldarius, Bacillus acidocaldarius, Bacillus coagulans, Thermoplasma acidophillum.

Встречающиеся в природе щелочные условия обычно связаны с почвами, обогащенными щелочными минералами, экскрементами животных, разлагающимися белками. В таких почвах pH может достигать 10. Обнаружены также щелочные озера и источники, pH которых 8 – 11. Из таких мест выделены представители родов Bacillus, Pseudomonas, Flavobacterium, Streptococcus и др.

Кислотность природных субстратов

единственным источником углерода для автотрофных прокариот, понижается, а растворимость некоторых

ионов (Cu2+, Мо2+, Mg2+, Al3+) возрастает и достигает уровней, токсичных для многих прокариот.
Наоборот, при высоких значениях pH растворимость многих катионов (Fe2+, Са2+, Mg2+, Mn2+), необходимых клетке, резко понижается, они выпадают в осадок и, таким образом, становятся недоступными для организмов.
pH влияет на состояние веществ в окружающей среде. Органические кислоты в кислой среде находятся в недиссоциированной форме, в которой легко проникают в клетку, становясь токсичными для нее.
Концентрация H+ внешней среды влияет и на равновесие электрических зарядов на поверхности клетки: при низких значениях pH увеличивается суммарный положительный заряд, при высоких — суммарный отрицательный заряд.

Воздействие рН на микроорганизмы

кислотоустойчивых и
3-группа щелочеустойчивых прокариот,
4-ацидофилы,
5-алкалофилы.
А-облигатные и
Б-факультативные формы.
Жирной линией выделен оптимальный

рН роста.

Классификация

© http://evolution.powernet.ru/library/micro/09.html

значениям рН 9-10
Алкалофильные
(оптимум для роста лежит в щелочной

среде, рН от 9-10)

Имеются облигатные формы, потерявшие способность расти в нейтральной среде, и факультативные, сохранившие эту способность

Нейтрофилы (оптимальной является среда, близкая к нейтральной)

Ацидофильные (оптимум для роста лежит в кислой среде, рН 4 и ниже)

Классификация

нейтральному (рН 6 - 8); многие виды растут или выдерживают

более низкие или высокие значения рН, соответственно их относят к ацидотолерантным или алкалотолерантным. Большинство естественных местообитаний (пресноводные озера и реки, многие почвы, внутренняя среда растительных и животных организмов) имеет нейтральный или близкий к нему (слабокислый или слабощелочной) рН.
Типичными нейтрофилами являются штаммы Escherichia coil, Bacillus megaterium, Streptococcus faecalis и многие патогенные бактерии.
К кислотоустойчивым относятся многие грибы, микобактерии, бактерии, продуцирующие органические кислоты, например уксуснокислые, молочнокислые и др. Щелочетолерантны, т.е. устойчивы к значениям рН близким к 9-10, многие из энтеробактерий.

К экстремальным ацидофилам относят микроорганизмы, рН оптимум роста которых равен

или ниже 3,0.
В желудке животных и человека, где диапазон рН составляет 1,5 - 4,0, обитают факультативно-анаэробные органотрофные микроорганизмы родов Lactobacillus, Streptococcus, Sarcina. Однако эту микрофлору скорее можно отнести к ацидотолерантной.
Внутриклеточный рН экстремальных ацидофилов обычно не ниже 4,5. Внеклеточные белки экстремальных ацидофилов отличаются высокой стабильностью по отношению к кислотам, в то время как внутриклеточные имеют нейтральный или слабокислый оптимум активности.

Streptococcus pyogenes

Lactobacillus acidophilus

© http://drugsaz.net/lactobacillus-acidophilus/

Sarcina lutea

© http://www.allposters.com/-sp/Sarcina-Lutea-Bacteria-are-Gram-Positive-Cocci-SEM-X16-000-Posters_i9001554_.htm

©http://www.suggestkeyword.com/c3RyZXB0b2NvY2N1cyBiYWN0ZXJpYQ/

близким к нейтральному (6 - 8) даже у алкали- и

ацидофилов, что достигается прежде всего работой протонной и натриевой (у алкалифилов) помпы. Как и в других группах экстремофильных микроорганизмов, различают алкалотолерантные формы, растущие при щелочных рН, но имеющие оптимум в нейтральной области, и истинных алкалофилов, не растущих при нейтральных значениях рН. Часто верхний рН-предел развития микроорганизма оказывается значительно выше значения рН в его природном местообитании. Так, щелочные почвы имеют рН не выше 8,5, однако выделяемые оттуда представители ряда Bacillus растут в интервале рН 8,0-11,5.
Другие представители: алкалофильный фототроф - цианобактерии родов Spirulina, Cyаnospira, Chroococcus, диатомовые водоросли, a также серная пурпурная бактерия рода Ectothiorhodospira.
Сочетание высокой температуры и высокого рН особенно влияет на стабильность белков. Видимо, поэтому сочетание экстремальной термофилии и экстремальной алкалофилии практически не встречается. Единственный представитель алкалифилов среди гипертермофильных архей выделен из глубоководных гидротерм Thermococcus alkaliphilus. Он растет в диапазоне рН 6,5- 10,5 и имеет оптимум роста при рН 9,0. Благодаря этому протеазы, липазы и целлюлазы из алкалифильных микроорганизмов широко используют при производстве детергентов.

до 11, тогда как диапазон значений рН их цитоплазмы варьирует

в гораздо более узких пределах.

У всех известных ацидофилов значение рН поддерживается около 6,5,
у нейтрофилов – 7,5 и
у алкалофилов – 9,5.
рН-гомеостаз – поддержание определенного значения рН в цитоплазме клеток

Обеспечивается совместным действием
пассивных
(низкая проницаемость мембраны для ионов, высокая буферная емкость цитоплазмы) и
активных механизмов
(транспорт ионов Н+, К+, Nа+)

Внутриклеточный рН

Z∆рН
∆μн+ - трансмембранный электрохимический потенциал
∆ψ - трансмембранная разность

электрического потенциала
∆рН - градиент концентрации Н+
Z – коэффициент для перевода единиц рН в милливольты, Z=2,303 RT/F=-60 мВ при 25°С
(R – газовая константа,
T – абсолютная температура,
F – число Фарадея).

Трансмембранный электрохимический потенциал

и представлен обеими компонентами-∆ψ и ∆рН Причем в оптимальных условиях

внутренняя поверхность цитоплазматической мембраны заряжена отрицательно, а в клетке среда более щелочная, чем снаружи.
У ацидофилов при рН=1 ∆˜µН+ имеет высокие значения - 270 мВ. Однако протондвижущая сила представлена главным образом одной своей составляющей - ∆рН; ∆ψ имеет низкие значения, а внутренняя поверхность цитоплазматической мембраны заряжена положительно.
У алкалофильных бактерий - ∆µн+ равен -50 мВ. Протондвижущая сила у алкалофильных бактерий представлена главным образом одной своей составляющей ∆ψ, а ∆рН имеет очень низкие значения и обратный знак, т. е. концентрация Н+ в цитоплазме выше, чем в окружающей клетку среде.
Биоэнергетика прокариот зависит от экологического фактора -рН окружающей среды. Так, оптимальный рост E.coli наблюдается в диапазоне рН 6-8, в котором ∆µн+ также мало зависит от рН среды, как и интенсивность дыхания клеток, что подтверждает постоянство работы протонных помп. Значение ∆˜µн+ при рН 6 и 8 равно -200 и -140 мВ соответственно. Однако составляющие ∆˜µн+ сильно зависят от рН среды.

Трансмембранный электрохимический потенциал

бактерий», 1989 г.

и предпочитающие изобилие пищевых веществ (от греч. copiosus – изобилие,

trophe – пища)

Escherichia сoli

Копиотрофы

© https://feww.files.wordpress.com/2011/06/e-coli-o104-h4.png

в местах с низким пищевым потоком углерода – до 0,1

мг/л в день, относятся к олиготрофам (от греч. oligos – малый, trophe – пища).
Олиготрофные микроорганизмы обычно используют для питания простые органич. соединения — органич. к-ты, спирты.
Многие из них имеют приспособления для увеличения поверхности клетки:
винтовую скульптуру поверхности (Seliberia),
винтовое строение клетки (Spirillum),
простеки (у простекобактерий).

Олиготрофы

©http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/0-387-30745-1_24#page-1

Seliberia stellata

Spirillum volutans

©http://nzetc.victoria.ac.nz/tm/scholarly/Bio18Tuat03-fig-Bio18Tuat03_104a.html

Stella vacuolata

Prosthecomicrobium

Ancalomicrobium adetum

© http://biologicalexceptions.blogspot.ru/2013/08/how-prokaryotes-shape-up.html

выдерживают пересевов
Организмы:
бактерии необычной морфологии (спиралевидные (7), бобовидные (8), тороидальные

(9), шестиугольные (12), звёздчатые клетки (10) и т.д.)

Rhodocyclus purpureus

Thiospirillum jenense

Классификация олиготрофов:

© http://evolution.powernet.ru/library/micro/04.html

©http://garciajeanlouis9051.perso.neuf.fr/aaBXIII3_O1_2.html

©http://ijs.sgmjournals.org/content/journal/ijsem/10.1099/00207713-28-2-283?crawler=true&mimetype=application/pdf

но в последующих пересевах растут на богатых средах
Организмы:
Pseudomonas, Agrobacterium, Photobacterium,

Vibrio, Aeromonas, Flavobacterium, Micrococcus, Staphylococcus, Corynebacterium, Arthrobacter.

Классификация олиготрофов:

Pseudomonas aeruginosa

©http://fineartamerica.com/featured/1-pseudomonas-aeruginosa-bacteria-sem-steve-gschmeissner.html

Agrobacterium tumefaciens

©http://www.denniskunkel.com/DK/Bacteria/28993C.html

Aeromonas sp.

© http://www.bettainfo.com/wp-content/uploads/aeromonas-close-up.jpg

Micrococcus sp.

© http://www.allposters.com/-sp/Micrococcus-Bacteria-on-Agar-Micrococcus-Is-Gram-Positive-Aerobic-Prokaryote-Posters_i9006026_.htm

Staphylococcus aureus

©http://www.microbeworld.org/component/jlibrary/?view=article&id=11181

Corynebacterium tuberculostearicum

©http://www.denniskunkel.com/DK/Bacteria/27673A.html

Arthrobacter crystallopoietes

©http://www.lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=Arthrobacter&lang=1

средах
Организмы:
Hyphomicrobacterium, Caulobаcter, Microcyclus, Leptothrix, Ochrobium, Мetallogenium.

© http://studall.org/all-102849.html
© https://en.wikipedia.org/wiki/Leptothrix

©http://mic.sgmjournals.org/content/journal/micro/10.1099/00221287-125-1-85?crawler=true&mimetype=application/pdf

©http://femsec.oxfordjournals.org/content/42/3/431

©http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/2402/%D0%A1%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE

Microcyclus

при изучении проб в электронный микроскоп
Организмы:
простековые бактерии с газовыми

вакуолями.

Классификация олиготрофов:

©http://micro.moy.su/publ/obshhaja_mikrobiologija/prokarioty/pochkujushhiesja_i_stebelkovye_bakterii_gruppa_4/8-1-0-72
© http://lib.znate.ru/docs/index-185617.html?page=2

- задержка роста и размножения бактерий, вызванная действием неблагоприятных химических

или физических факторов.
Прекращение действия фактора приводит к возобновлению роста и деления, хотя при длительном его воздействии может начаться гибель клеток, т.е. фактор проявляет бактерицидность (лат. caedere - убивать).
Во многих случаях вещество в невысоких концентрациях обладает бактериостатическим, а в высоких бактерицидным действием.
Ионы некоторых тяжелых металлов (Au, Cu, Zn, Ag) присутствуя в растворах в ничтожно малых концентрациях, не поддающихся непосредственному определению, оказывают тем не менее губительное действие на микроорганизмы. Это специфическое действие называется олигодинамическим (oligos—малый, dynamis — сила).

Токсичные вещества для микроорганизмов

после достижения которой вещество становится бактерицидным, а также определяется его

«концентрационной экспонентой» n.
Концентрационная экспонента n рассчитывается по формуле:



где C1 - большая и С2 - меньшая концентрация вещества,
А - время гибели определенной части клеток при концентрации С2, В - то же при концентрации С1.
Показатель n характеризует вещество.

Степень токсичности вещества

следующем порядке:
Sb > Ag > Cu > Hg >

Co > Ni > Pb > Cr > V > Cd > Zn > Fe
Стимуляция метаболизма микроорганизмов невысокими концентрациями токсических соединений может объясняться так называемым эффектом Арндт-Шульца, заключающимся в том, что аккумуляция яда в нелетальных концентрациях на поверхности клетки изменяет проницаемость мембраны, нарушает её барьерные функции, что определяет свободное поступление пищи в клетку и соответственно усилением метаболизма.
Действие ионов тяжелых металлов зависит от
состава среды,
природы соответствующих солей,
присутствует ли металл в виде свободного иона или в составе недиссоциированной соли,
входит ли данный элемент в состав органических или неорганических комплексных соединений.

Взаимодействие с металлами

с металлами
Срезы клеточной стенки бактерии Bacillus subtilis после 5

минут (вверху) и 10 минут (внизу) пребывания в 5 мМ растворе AuCl3·2Н2О. Стрелками показаны центры кристаллизации металлического золота

© http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/bacteria-that-synthesize-nano-sized-compasses-to-15669190

©http://telem.openu.ac.il/courses/c20237/gifs/gallery/Aquaspirillum_magnets.htm

© http://xarhive.narod.ru/Online/bio/mzm.html

ferrooxidans (х90000) осаждение арсената или арсенита ионами железа в процессе

окисления арсенопирита при участии Thiobacillus ferrooxidans
Универсальным микроорганизмом, окисляющим сульфиды, является бактерия Thiobacillus ferrooxidans, которая может использовать в качестве энергетического субстрата практически все сульфидные минералы, восстановленные соединения серы и другие закисные элементы в растворе, в частности железо. Этот микроорганизм был открыт около 50 лет назад в кислой шахтной воде, которая после 2-3 дней стояния на воздухе выделяла ржавый осадок гидроксидов железа. Было доказано, что окисление сульфата закиси железа происходит с помощью Thiobacillus ferrooxidans. Также установлено, что клетки этого организма мало проницаемы для некоторых токсичных металлов, например для меди и цинка.

Взаимодействие с металлами

© http://geo.web.ru/db/msg.html?uri=part_6_2_1.htm&mid=1161842

и сурьмой, присутствующими в окружающей среде, иногда в концентрациях, которые

токсичны для многих других микробов и высших форм жизни. Микроорганизмы могут использовать эти вещества в качестве источников энергии или акцепторов электронов в процессе дыхания.
В ряде случаев у микробов выработались способы удаления этих веществ из среды путем их осаждения, адсорбции или улетучивания. Эти реакции вносят вклад в детоксикацию среды, которая становится более пригодной не только для микробов, катализирующих такие реакции, но и для других организмов, неспособных развиваться без подобной «помощи».

Взаимодействие с металлами

образуемые микроорганизмами и способные в малых концентрациях оказывать избирательное токсическое

действие на другие микроорганизмы или на клетки высших организмов. Описано более 5 тыс различных антибиотиков. По химической природе антибиотики принадлежат к различным группам соединений. Это углеводородсодержащие аминоглюкозиды (группа ристомицина - ванкомицина и др.), макроциклические лактоны (макролиды, полиены и др.), хиноны и близкие к ним антибиотики (тетрациклины, антрациклины и др.), пептиды, пептолиды (пенициллины, цефалоспорины, актиномицины) и др.

Антибиотики

в практической деятельности человека. Антисептики применяют в медицине при лечении

ран, для дезинфекции, в пищевой промышленности для защиты продуктов от порчи, для предохранения от гниения деревянных сооружений и т.п. Очевидно, что для бактерий антисептики являются важными экологическими факторами.
Бактерициды относятся к различным группам органических и неорганических веществ. Это могут быть спирты, альдегиды, фенолы, жирные кислоты, галогеновые соединения, металлы и т.д.

Антисептики

собственно фенола отказались давно вследствии его токсичности, но его производные

(например, гексахлорофен, резорцин, хлорофен, тимол, салол) применяют часто.
Газы
Для уничтожения спор микроорганизмов при стерилизации инструментов из пластмасс применяют окиси этилена и пропилена под давлением при 30-60°С. Метод позволяет эффективно уничтожить большинство микроорганизмов, в том числе в тканях и жидкостях (кровь, гнойное отделяемое). Механизм действия связан со способностью окиси этилена алкилировать белки.
Наличие в атмосфере (или в растворе) 20—30% углекислого газа значительно тормозит развитие многих микроорганизмов, а при длительном воздействии еще более высоких концентраций СО2 (50— 80% и выше) развитие их совсем приостанавливается; некоторые микробы в таких условиях даже отмирают. Углекислый газ может быть с успехом использован при хранении и перевозке многих скоропортящихся пищевых продуктов. Наиболее целесообразно, по-видимому, применять СО2 в сочетании с охлаждением продуктов.

Антисептики

эффективны в виде 60-70% водных растворов. Спирты осаждают белки и

вымывают из клеточной стенки липиды.
Галогены и галогеносодержащие препараты (препараты йода и хлора) взаимодействуют с гидроксильными группами белков, нарушая их структуру.
Альдегиды алкилируют сульфгидрильные, карбоксильные и аминогруппы белков и других органических соединений, вызывая гибель микроорганизмов. Альдегиды широко применяют как консерванты. Наиболее известные – формальдегид (8%) и глутаральдегид (2-2,5%) – проявляют раздражающие действие (особенно пары), ограничивающие их широкое применение.
Кислоты и щелочи
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) оказывают бактерицидное действие за счет нарушения проницаемости ЦПМ осмотического равновесия микробной клетки, что приводит к ее гибели.

Антисептики

химического соединения, его концентрации, продолжительности воздействия на микробные клетки.
В

зависимости от концентрации химическое вещество может быть источником питания или оказывать угнетающее действие на жизнедеятельность микроорганизмов.
Многие химические соединения, оказывающие губительное действие на микроорганизмы, используются в медицинской практике в качестве дезинфицирующих веществ и антисептиков.