Источники питания. Для того, чтобы микроорганизмы могли расти и размножаться, в среде необходимо присутствие доступных источников энергии и исходных материалов для биосинтеза. Обмен веществ с окружающей средой состоит из двух основных процессов: биосинтеза веществ клетки (конструктивный обмен) и получения энергии (энергетический обмен). Оба процесса протекают в организме в виде сопряженных химических реакций, при этом иногда используется одно и тоже соединение.
29
Метаболизм включает поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена из организма в окружающую среду.
Какие вещества необходимы микроорганизмам для роста в первую очередь, видно из химического состава клетки. Как уже упоминалось, 80 - 90 % общей массы клеток приходится на долю воды, поэтому ее присутствие в окружающей среде в доступной форме необходимо. В состав сухого вещества клетки в наибольшем количестве (95 %) входят шесть элементов, называемых органогенами: С, N, Р, S, Н, О.
Почти все организмы нуждаются также в Fe, Mn, Mg, Cu, Cl, К, Са, Zn, Na и др. Количества этих элементов, необходимых для роста, очень малы - от 0,3 до 1 %, поэтому их называют микроэлементами, или следовыми элементами.
Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы (от лат. autos - сам, trophe - пища) используют в качестве единственного или главного источника углерода для синтеза органических веществ двуокись углерода (СО2). Биосинтез органических веществ из СО2 протекает с потреблением энергии. Одни автотрофы в этих целях используют световую энергию, другие используют энергию химических реакций окисления неорганических соединений.
Гетеротрофы (от лат. heteros - другой, trophe - пища) в качестве источника углерода используют в основном органические соединения. Необходимую энергию они получают путем окисления органических соединений. Для гетеротрофов характерной особенностью является то, что для энергетического и конструктивного обмена часто используется одно и то же соединение, тогда как для других групп организмов существует различие между источником энергии и углерода.
Гетеротрофы - это сложная и большая группа микроорганизмов. Они подразделяются на сапротрофы - организмы, растущие на отмерших растительных и животных остатках, и паразиты, - питающиеся за счет живых организмов.
Микробы-паразиты живут в теле другого организма - хозяина - и питаются веществами его тела. К паразитам относятся возбудители заболеваний человека, животных и растений.
Сапрофиты разлагают различные органические вещества в природе. Микроорганизмы, вызывающие повреждения промышленных материалов, относятся в большинстве случаев к сапрофитам, хотя среди них имеются виды, вызывающие одновременно и болезни растений. Например, в условиях прохладного влажного лета на образцах ситаллов были обнаружены колонии видов рода Alternaria, идентичные возбудителям альтернариоза помидоров.
30
Многие сапрофиты всеядны, т.е. способны использовать разнообразные органические соединения, некоторые проявляют выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода. Существуют и такие, которые нуждаются в каких-либо определенных соединениях, их называют субстрат-специфичными микроорганизмами.
К микроскопическим грибам, которые могут использовать самые разнообразные углеродсодержащие субстраты, относятся Aspergillus niger, A. flavus, A. versicolor, Trichoderma viride, Penicillium chrysogenum, Alternaria и др. Они способны осуществить окисление любого природного органического соединения. Примером "многоядного" гриба может служить A. flavus. Грибы этого вида выделены из разнообразных пищевых продуктов (зерно, хлебопродукты, сухофрукты, мясо, орехи, овощи), а также из кожаных изделий, бумажной массы, металлических изделий, лакокрасочных покрытий, текстильных изделий, фекалий насекомых, кишечного тракта человека.
Существуют и более специализированные формы, приспособившиеся к окислению небольшого числа соединений, например, использующие в качестве основного источника углерода целлюлозу. В связи с этим повреждающее действие таких микроорганизмов распространяется главным образом на промышленные изделия с целлюлозной основой (бумага, древесина, ткани и др.).
Использование углеводородов нефти и нефтепродуктов: бензина, керосина, масла, асфальта и других наиболее характерно для Cladosporium resinae, который в научно-популярной литературе называется "керосиновым" грибом.
Ряд грибов (A. flavus, A. niger) способен использовать такие устойчивые соединения, как воска и парафины. Известно, что бумага с парафинированным слоем, широко используемая во многих технологических циклах, в пищевой промышленности легко поражается грибом A. flavus и теряет при этом водоотталкивающие свойства. Грибы, использующие воска, разрушают произведения искусства, в состав которых входит этот компонент, например, некоторые виды живописи.
Микроорганизмы с высокоразвитой ферментативной активностью хорошо используют и другие труднодоступные источники углерода, в том числе сложные эфиры (синтетические и природные), полиолефины (полиэтилен) и другие карбоцепные полимеры (поливинилацетат, поливинилхлорид, поливиниловый спирт).
Органические соединения, которые служат источниками питания для микроорганизмов, входят в состав многих промышленных материалов, что часто является причиной их заселения микроорганизмами. Кроме того, источником органических веществ могут служить различного рода загрязнения, попадающие на материалы, которые по своему химическому составу не могут служить питательными субстратами (металлы, стекло, некоторые
31
полимеры, бетон и др.). В некоторых случаях достаточно незначительного количества органического вещества, чтобы начался рост биодеструкторов.
Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют в небольших количествах и углекислый газ, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки. Если, например, из среды полностью удалить СО2, то рост культуры задерживается, а иногда полностью подавляется. Обычно микроорганизмы удовлетворяют свои потребности за счет тех количеств его, которые образуются при использовании органических субстратов.
Источники азота. Азот входит в состав жизненно важных компонентов микробной клетки. Азотное питание в жизнедеятельности микроорганизмов занимает меньший объем, чем углеродное. Во-первых, потому, что азота в составе клетки в 5 - 6 раз меньше, чем углерода; во-вторых, соединения углерода употребляются в большем количестве, так как они одновременно используются и в конструктивном и в энергетическом обмене. Что касается значения азота для метаболизма микроорганизмов, то он не уступает углероду.
Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из его содержащих неорганических соединений.
У гетеротрофов по отношению к источникам азота проявляется избирательность. Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина. Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни из этих микроорганизмов способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества (азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот), так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны. Другие могут развиваться при ограниченном числе органических соединений азота, например в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну - две из них, а все остальные, необходимые для синтеза белков клетки, синтезируют сами.
Органические азотсодержащие соединения (такие субстраты, как натуральная кожа, мех, шерсть, шелк) потребляются только теми микроорганизмами, которые могут разлагать их с образованием аммиака.
Источники зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны и различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них невелика, но при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.
Для большинства микроорганизмов источниками зольных элементов являются минеральные соли, хотя некоторые из них лучше усваивают серу и фосфор из органических соединений.
32
Микроэлементы нужны для роста микроорганизмов в незначительных количествах и могут быть получены ими также из минеральных солей.
Потребность микроорганизмов в витаминах. В составе микробной клетки имеются различные витамины, которые необходимы для ее нормальной жизнедеятельности. Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде, и при отсутствии того или иного витамина в среде у них резко нарушается обмен веществ. При добавлении в питательную среду недостающего витамина ликвидируется задержка роста, поэтому витамины нередко называют ростовыми веществами, или стимуляторами роста. Другие микроорганизмы способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды. Некоторые микроорганизмы синтезируют витамины в количествах, значительно превышающих собственные потребности.
Микробиологическим путем в промышленности, используя дрожжи, бактерии и грибы, получают многие витамины.
Витамины, произведенные микроорганизмами широко применяют в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, для косметических средств и других целей.
Кислород и энергетический обмен у микроорганизмов. Синтез веществ клетки из поступивших в нее питательных веществ и многие другие процессы жизнедеятельности протекают с затратой энергии.
У автотрофов источником энергии служит либо видимый свет, либо энергия химических реакций, получаемая при окислении неорганических соединений (NH3, H2S и др.).
Гетеротрофы получают энергию в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы гетеротрофами.
В зависимости от возможности использования молекулярного кислорода в энергетических процессах, микроорганизмы делятся на две группы:
- аэробы, которые окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода;
- анаэробы, не использующие кислород в энергетических процессах.
Многие аэробные микроорганизмы, к которым относятся грибы, некоторые виды дрожжей, многие бактерии, подобно высшим организмам (растения, животные), окисляют органические вещества полностью до углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.
Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые виды дрожжей, получают необходимую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения.
33
Анаэробные микроорганизмы подразделяют на облигатные, или безусловные, анаэробы, для которых кислород не только не нужен, но и вреден, и факультативные, или условные, анаэробы, среди которых различают два типа. Одни лучше развиваются в анаэробных условиях, хотя могут жить в присутствии кислорода, но не способны его использовать (например, молочно-кислые бактерии). Другие факультативные анаэробы (например, дрожжи) способны в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.
Для аэробных микроорганизмов характерно приостановление жизнедеятельности при недостатке кислорода. Например, в результате нехватки кислорода дереворазрушающие и деревоокрашивающие грибы сравнительно быстро погибают в древесине при ее затоплении во время сплавов. На этом принципе основано предохранение древесины от загнивания методом дождевания.
Аэробы полезно используют примерно половину энергии и остальная теряется в виде тепла. Этим и объясняется явление самосогревания недостаточно просушенных кип хлопка, шерсти и других материалов, когда вследствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы. Такое самосогревание хлопка или шерсти может привести к их самовозгоранию.
У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение неиспользованной энергии в форме световой. Такой способностью обладают некоторые бактерии и грибы. Свечение морской воды, гниющего дерева, рыбы объясняется присутствием в них светящихся микроорганизмов.
Кислотность среды. Реакция среды (рН), т.е. степень ее щелочности или кислотности оказывает большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Многие непродовольственные материалы (бумага, стекло, пергамент и др.) могут быть кислыми и щелочными в зависимости от их состава и назначения. Так, водная пленка, находящаяся всегда на поверхности стекла во влажной атмосфере, в зависимости от химического состава стекол имеет рН от 5,5 до 9,0.
Величина рН среды влияет:
- на ионное состояние среды, следовательно, на доступность многих метаболитов и неорганических ионов для организма;
- активность ферментов, в связи с чем может меняться биохимическая активность микробов;
- электрический заряд поверхности клетки, что обусловливает изменение проницаемости клетки для отдельных ионов;
- морфологию, например мицелия, на размножение и образование грибами пигментов.
Жизнедеятельность каждого вида микроорганизмов возможна при прочих благоприятных условиях лишь в более или менее определенных границах рН среды, выше и ниже которых она
34
угнетается. Большинство бактерий лучше растет в зоне рН, равной 6,8 - 7,3, т.е. в нейтральной или слабощелочной среде. За небольшим исключением, они не развиваются при рН ниже 4,0 и выше 9,0, но многие могут длительно сохранять жизнеспособность.
У гнилостных бактерий наибольшая протеолитическая активность проявляется при рН выше 7,0.
Для некоторых видов бактерий кислая среда более губительна, чем щелочная. Вегетативные клетки обычно менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Бактерии, которые в процессе жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению рН. Одни микроорганизмы, например молочно-кислые бактерии, при накоплении в среде известного количества кислоты постепенно погибают. Другие способны регулировать реакцию среды, образуя в таких условиях соответствующие вещества, которые либо подкисляют, либо подщелачивают среду, препятствуя сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития.
Мицелиальные грибы могут развиваться в широком диапазоне рН от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интервале рН по сравнению с мицелием.
Для большинства мицелиальных грибов и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда с рН 5,0 - 6,0. Например, оптимальный рост дереворазрушающих грибов наблюдается при рН 3,0, тогда как верхняя граница их жизнедеятельности лежит в области рН 7,0 - 7,5. Как правило, грибы испытывают угнетение, если рН отклоняется в ту или другую сторону от оптимума. Очень кислая и очень щелочная реакции среды токсичны для большинства грибов.
В большинстве случаев микроорганизмы изменяют рН среды, в которой они развиваются. В одних случаях это связано с потреблением определенных компонентов среды, в других - с образованием продуктов жизнедеятельности (органические кислоты, аммиак). Интенсивное потребление аниона NO3- из соли KNO3 неизбежно приводит к подщелачиванию среды. Рост грибов на белоксодержащих субстратах (кожа, шерсть и др.) сопровождается сдвигом рН среды в щелочную сторону в результате образования аммиака. При выращивании некоторых грибов на субстратах, содержащих глюкозу, происходит снижение рН среды, так как в результате сбраживания глюкозы накапливаются органические кислоты, увеличивающие концентрацию водородных ионов. Подобный сдвиг рН в кислую сторону наблюдается при росте Chaethomium globosum и Trichoderma viride на среде, содержащей бумагу.
Неодинаковое отношение микроорганизмов к реакции среды является одной из причин наблюдаемой в природных условиях
35
смены одних форм микроорганизмов другими. Зная реакцию различных микроорганизмов на рН среды и регулируя последнюю, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет большое практическое значение.
До сих пор накоплено мало сведений о микроорганизмах, живущих как при высоких, так и при низких значениях рН, немного известно и о механизмах, обеспечивающих выживаемость в этих условиях. Однако возрастание загрязнения окружающей среды за счет промышленных вод, участившихся "кислых" дождей, в будущем может привести к появлению новых местообитаний организмов, способных переносить подобного рода экстремальные условия. Это повлечет за собой и увеличение опасности микробного повреждения различных объектов.
Концентрация растворенных веществ в среде. В природе микроорганизмы живут на субстратах с разнообразным содержанием растворенных веществ, а, следовательно, и с различным осмотическим давлением. Соответственно среде обитания у микроорганизмов изменяется и внутриклеточное осмотическое давление.
Нормальное развитие микроорганизма происходит, когда его внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем давление в питательном субстрате. В этом случае в клетку извне поступает вода, цитоплазма плотно прилегает к стенке, слегка растягивая ее. Такое состояние клетки называют тургорным.
При попадании микроорганизма в субстрат с ничтожно малым содержанием веществ (например, в дистиллированную воду) наступает плазмоптис клетки - цитоплазма быстро переполняется водой и клеточная стенка разрывается.
Многие микроорганизмы весьма чувствительны даже к небольшому повышению концентрации веществ в среде. Превышение осмотического давления субстрата над внутриклеточным вызывает обезвоживание - плазмолиз клеток, при этом поступление в них питательных веществ приостанавливается. В плазмолизированном состоянии одни микроорганизмы могут длительно сохранять жизнеспособность, другие более или менее быстро погибают.
Большинство бактерий малочувствительны к концентрации NaCl в пределах 0,5 - 2 %, но 3 %-е содержание этого вещества в среде неблагоприятно действует на многие микроорганизмы.
При концентрации поваренной соли около 3 - 4 % размножение многих гнилостных бактерий подавляется, а при концентрации NaCl 7 - 10 % их размножение прекращается. Палочковидные гнилостные бактерии менее стойки, чем кокки.
Угнетающее воздействие соли на рост микроорганизмов обусловлено не только повышением осмотического давления, но и тем, что при высоких концентрациях в субстрате поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы, подавляя процессы дыхания, нарушая функции клеточных мембран и др.
36
Химические вещества. Действие химических веществ на микроорганизмы может быть различным. Среди химических веществ могут быть такие, которые способны задерживать развитие микроорганизмов и даже вызывать их гибель.
Вещества, губительно действующие на микроорганизмы, называют антисептиками. Характер действия их разнообразен. Одни подавляют жизнедеятельность или задерживают размножение чувствительных к ним микробов; такое действие называют бактериостатическим (в отношении бактерий), или фунгистатическим (в отношении мицелиальных грибов). Другие вещества вызывают гибель микроорганизмов, оказывая на них бактерицидное или фунгицидное действие. В очень малых дозах многие химические яды оказывают даже благоприятное действие, стимулируя размножение или биохимическую активность микробов.
Чувствительность различных микроорганизмов к одному и тому же антисептику неодинакова. Споры устойчивее вегетативных клеток.
Из неорганических соединений наиболее сильнодействующими являются соли тяжелых металлов. Ионы некоторых тяжелых металлов, золота, меди и особенно серебра, присутствующие в растворах даже в ничтожно малых концентрациях, не поддающихся непосредственному определению, оказывают, тем не менее, губительное действие на микроорганизмы.
Бактерицидное действие проявляют многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, марганцовокислый калий); минеральные кислоты (сернистая, борная, плавиковая).
Воздействуют на микроорганизмы сероводород, окись углерода, сернистый газ.
Многие органические соединения ядовиты для микробов. В различной степени губительно воздействие фенолов, альдегидов, особенно формальдегида, спиртов, некоторых органических кислот (салициловая, уксусная, бензойная, сорбиновая). Воздействие этих кислот связано, главным образом, не со снижением рН среды, а с проникновением в клетку недиссоциированных молекул этих кислот. Бактерицидным действием обладают эфирные масла, смолы, дубильные вещества, многие красители (бриллиантовая зелень, фуксин).
Механизм действия антисептиков различен. Многие из них повреждают клеточные стенки, нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны. Проникая в клетку, они вступают во взаимодействие с теми или иными ее компонентами, в результате чего значительно нарушаются обменные процессы. Соли тяжелых металлов, формалин, фенолы воздействуют на белки цитоплазмы и являются ядами для ферментов. Спирты, эфиры растворяют липиды клеточных мембран.
Антисептические вещества используют для защиты текстильных материалов, древесины, бумаги, изделий из нее и других материалов и объектов от микробных поражений.
37
