Жизнедеятельность микроогранизмов

Введение

В последние десятилетия непрерывно возрастает интерес к изучению и практическому использованию микроорганизмов, мир которых чрезвычайно многообразен и динамичен. Микроорганизмы широко используются в качестве продуцентов многих полезных веществ: кормового белка, витаминов, антибиотиков, гормонов, ферментов, аминокислот. На использовании микроорганизмов основаны методы генной инженерии, позволяющие создавать новые штаммы, обладающие полезными свойствами и образующие ряд важных веществ. Микроорганизмы играют большую роль в природных процессах и в течении многих лет являются «полигоном», где современная наука исследует фундаментальные основы живой материи [1].

Повсеместное распространение, быстрое размножение и особенности
метаболизма микроорганизмов накладывают отпечаток на жизнь всей
планеты. Процессы, в которых принимают участие микроорганизмы, прежде
всего, являются определяющими и необходимыми звеньями круговорота
таких элементов, как углерод, азот, сера, фосфор, а также других биогенных элементов. Без микроорганизмов приостановился бы круговорот
веществ в природе и жизнь на Земле стала бы невозможной.
Многие микроорганизмы образуют в процессе метаболизма и выделяют во внешнюю среду различные органические и неорганические кислоты, под действием которых водонерастворимые соли переходят в растворимую форму, в результате чего улучшается питание растений. Микроорганизмы-редуценты – «санитары» природы. Они осуществляют разложение растительных и животных остатков и превращают их в минеральные вещества. Минерализация органических веществ имеет большое значение, так как при этом необходимые зеленым растениям элементы переходят из недоступной для них формы в доступную. Кроме того, микроорганизмы способны осуществлять деградацию отдельных искусственно синтезированных человеком органических веществ (ксенобиотиков) – пестицидов, гербицидов, поверхностно-активных веществ,
составляющих упаковочных материалов, нафталина, толуолов и др. Если
бы это не происходило, ксенобиотики бесконтрольно накапливались бы
в окружающей среде, загрязняя ее. Микроорганизмы принимают активное участие в биологическом самоочищении водоемов, выполняя функцию по обезвреживанию и окислительной переработке поступающих в водоем загрязняющих веществ.

Человек с древних времен интуитивно использовал уникальные особенности микроорганизмов, даже не подозревая об этом. С давних пор
процессы брожения применялись при приготовлении теста для хлеба,
пива, вина, уксуса, кисломолочных продуктов, росяной мочке льна.
Только в настоящее время стало известно, что все эти процессы происходят при участии определенных микроорганизмов, которые присутствуют на используемых для брожения субстратах.

Изучение биосинтетической деятельности микроорганизмов позволило установить их способность к синтезу самых разнообразных соединений, имеющих большое народнохозяйственное значение. В настоящее
время с помощью микроорганизмов в промышленных масштабах получают микробный белок, аминокислоты (глутаминовую, треонин, лизин,
пролин, глутамин), витамины (В12, рибофлавин), ферменты (амилазы,
пектиназы, протеазы, целлюлазы), интерферон, инсулин, гормон роста человека, органические кислоты (лимонную, молочную, масляную, уксусную, глюконовую),              полисахариды,               средства               защиты растений, антибиотики и другие ценные продукты [3].

Следует отметить, что еще имеются большие возможности, основанные на применении микроорганизмов, для расширения и совершенствования биотехнологических процессов. Решение таких актуальных проблем, как обеспечение человечества продуктами питания, возобновление
энергетических ресурсов, охрана окружающей среды, так или иначе будет связано с использованием микроорганизмов.

1 Микроорганизмы

Микроорганизмы — это мельчайшие организмы растительного или животного происхождения, видимые лишь в микроскоп. Несмотря на столь малые размеры, микроорганизмы очень сложные и весьма лабильные живые существа, имеющие много общего в строении клетки, обмене веществ, закономерностях роста и развития.

Наиболее важной особенностью микроорганизмов является их способность к быстрому размножению. Некоторые бактерии в благоприятных условиях делятся каждые 20...30 мин. В результате из одной бактерии массой 2,5*10-12 г за 2...4 сут. в условиях неограниченного роста могло бы образоваться 1010 т и более биомассы. В природе              этого, конечно, не происходит, так как действуют разные лимитирующие факторы. Но, очевидно, что скорость роста микроорганизмов намного превосходит скорости роста растений и животных.

Такая высокая скорость роста и размножения связана у микроорганизмов с высокой скоростью обмена веществ. Высокую интенсивность обмена веществ у микроорганизмов объясняют большим значением отношения поверхности клетки к ее объему. У мелких бактерий диаметром 0,5 мкм отношение поверхности к объему составляет 12*106 м -1 (для сравнения укажем, что у человека массой 90 кг эта величина всего лишь 30 м-1) [2].

1.1 Морфологические особенности микроорганизмов

Форма бактерий

По форме бактерии разделяются на три основные труппы: шаровидные, палочковидные и извитые (рисунок 1.1).

I— шаровидные; П— палочковидные; Ш— извитые; 1 — микрококки;             

2—диплококки; 3 стрептококки; 4 — тетракокки

Рисунок 1.1— Основные формы микроорганизмов

Шаровидные (кокковые) микроорганизмы по форме напоминают шар, но бывают овальные, односторонне вогнутые или слегка вытянутые. При делении кокков в одной плоскости клетки могут располагаться попарно — их называют диплококками. Если деление происходит последовательно в одной плоскости и клетки остаются соединенными в виде цепочек, — это будут стрептококки. Деление кокка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях приводит к образованию четырех клеток — тетракокка. Беспорядочное расположение клеток или образование скоплений, напоминающих грозди винограда, происходит при делении кокков в разных плоскостях, такие формы называют стафилококками.

Палочковидную, или цилиндрическую, форму имеют многие бактерии. Концы палочек чаще всего закруглены, но могут быть срезаны под прямым углом. Палочки, как и кокки, могут располагаться попарно, тогда их называют диплобактериями. Если клетки располагаются цепочкой, то их называют стрептобактериями.

Извитые, или спиральные, формы микроорганизмов различают не только по длине и диаметру, но и по числу завитков. Вибрионы напоминают по форме запятую; спириллы образуют до 3...5 завитков; спирохеты имеют более пяти завитков и кроме первичных еще и вторичные завитки.

Кроме описанных встречаются и иные формы микроорганизмов. Так, микобактерии наряду с палочковидной формой на ранней стадии развития имеют ветвящуюся форму. Особенно сильным ветвлением характеризуются клетки актиномицетов.

На форму и размеры клеток оказывают влияние состав среды, возраст культуры и условия культивирования.

Размеры бактерий

Микроорганизмы — микроскопические организмы, их размеры определяют в микрометрах (1 мкм = 10-6 м). Шаровидные формы имеют диаметр 0,7...1,2 мкм; палочковидные— длину 1...10 мкм, ширину 0,5... 1,0 мкм; нитчатые формы бактерий достигают в длину нескольких десятков микрометров.

Еще меньше размеры органелл клеток. Они измеряются в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Чтобы представить размеры этих существ, достаточно сказать, что в  1 мл речной воды может вместиться несколько миллионов микробных клеток, а в 1 г почвы — несколько миллиардов.

Строение клеток микроорганизмов

Чрезвычайно малые размеры микроорганизмов долгое время не позволяли изучить их строение, поэтому их относили к организмам, Устроенным очень просто. Улучшение техники микроскопирования, появление электронных и люминесцентных микроскопов, разработка методов окраски клеток позволили изучить детали тонкой структуры микробной клетки.

Строение клеток микроорганизмов довольно сложно и в общих чертах одинаково со строением клеток животных и растений. Прокариотические и эукариотические микроорганизмы существенно различают по строению клетки и функциям отдельных клеточных структур и органоидов (рисунок 1.2).

1 — клеточная стенка, 2 — цитоплазматическая мембрана, 3 — ядро, 4- митохондрия, 5 — аппарат Гольджи, 6 — липидные включения, 7 — вакуоль, 8— эндоплазматический ретикулум

Гли — гранулы гликогена; Ж — жгутик; Кпс — капсула; КСт — клеточная стенка; Ли — липидные капельки; ПГМ — поли-β-гидроксимасляная кислота; Пи — пили; Плз — плазмида; ПМ — плазматическая мембрана; ПФ — гранулы полифосфата; Ри — рибосомы и полисомы; Я— нуклеоид; S— включения серы

Рисунок 1.2 — Схема строения дрожжевой (а) и прокариотической клетки (б)

Строение клетки рассмотрим на примере более развитой эукариотической дрожжевой клетки. Структура прокариотической клетки (бактерий) гораздо проще, и ее основные отличия будут указаны ниже. От внешней среды микробную клетку отделяет оболочка, которая состоит из капсулы, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Роль оболочки огромна: она придает клетке определенную форму, защищает ее от неблагоприятных воздействий, через нее осуществляется обмен веществ между клеткой и окружающей средой.

Капсула не является обязательной частью бактериальной клетки. Она выполняет защитную функцию, предохраняя бактерии от механических повреждений и высыхания. Капсула может покрывать клетку толстым слоем или тонкой пленкой.

Клеточная стенка многослойна, она состоит чаще всего из трех, а иногда и из десяти слоев, которые у эукариотов содержат белково-сахаридные комплексы, а у прокариотов — гликопептид муреин. Эти вещества придают определенную форму и прочность микробным клеткам. Клеточная стенка — достаточно плотное образование толщиной от 150 до 280 нм и имеет поры диаметром до 3,6 нм, через которые различные вещества поступают внутрь клетки или выделяются из клетки во внешнюю среду. Такая клеточная стенка выдерживает определенное внутриклеточное осмотическое давление.

Прокариоты по составу и строению клеточной стенки делятся на две группы в зависимости от окраски по Грому: грамположительные и грамотрицательные.

Цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) отделяет цитоплазму от клеточной стенки. Мембрана построена из бимолекулярного слоя фосфолипидов, в котором располагаются белковые молекулы или их комплексы. Это так называемая «мозаичная» структура цитоплазматической мембраны (рисунок 1.3). В бимолекулярном слое фосфолипидов полярные части их молекул (шарики) обращены к внешней поверхности, а гидрофобные (хвостики) — к внутренней поверхности слоя. Белковые глобулы могут находиться на поверхности или быть погруженными в слой фосфолипида. Фосфолипиды и молекулы белков пребывают в непрерывном движении и взаимодействии. В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию. По этому принципу образованы все клеточные мембраны. Толщина мембраны составляет 8 нм.

Мембрана обеспечивает гомеостаз: постоянство внутриклеточного осмотического давления, избирательную проницаемость разных веществ; в ней находятся ферменты, регулирующие процессы обмена клетки с окружающей средой. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану осуществляется по различным механизмам, которые еще мало изучены.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки — представляет собой коллоидный раствор углеводов, аминокислот, ферментов, минеральных и других веществ в воде. Вязкость цитоплазмы в 800 раз выше вязкости воды. В цитоплазме находятся важнейшие клеточные органоиды — ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы и др.

Маленькие шарики с хвостиками — фосфолипиды, большие комки неправильной формы — белки

Рисунок 1.3 -— Мозаичная модель клеточной мембраны

Эндоплазматическая сеть, или ретикулум, представляет собой мембранное образование, которое в виде мелких канальцев или пузырьков находится в различных участках цитоплазмы. Своей обширной мембранной поверхностью это образование изолирует и локализует различные ферментные системы, которые катализируют синтез липидов, углеводов и других веществ.

Рибосомы находятся в цитоплазме либо на поверхности мембраны (тогда они активны), либо свободно плавают. Обычно они шаровидны, их размер составляет всего 15—35 нм. На рибосомах происходит биосинтез белка. В состав рибосом входят рибонуклеопротеиды, т. е. РНК и белковый комплекс. Количество рибосом зависит от возраста клетки и условий ее обитания.