МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012

ГЛАВА 9. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

9.2. ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработка токсинов, могут осуществляться только при постоянном притоке энергии.

В процессе питания организм получает вещества, необходимые для синтеза клеточных структур и являющиеся источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Характерными особенностями питания микробов являются поступление питательных веществ внутрь клетки через всю ее поверхность и высокая скорость процесса обмена веществ.

Клеточная стенка и ЦПМ микроорганизмов непроницаемы для многих высокомолекулярных веществ (полисахаридов, липидов, белков и др.), в связи с чем эти вещества вначале расщепляются экзоферментами, выделяемыми клетками во внешнюю среду, на более простые соединения (моно- и дисахариды, аминокислоты, органические кислоты, глицерин и т. д.). Такой процесс, свойственный только микроорганизмам, называется внешним перевариванием.

Питательные среды, на которых культивируют микроорганизмы в лабораторных и производственных условиях, должны отвечать следующим минимальным требованиям:

✵ в них должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка;

✵ они должны быть в такой форме, в которой микроорганизмы способны их усваивать;

✵ они должны иметь оптимальное значение pH;

✵ среды должны быть стерильными.

Питательные среды различаются по консистенции, составу и назначению.

По консистенции различают жидкие, плотные и полужидкие среды. Плотные и полужидкие готовят путем добавления к жидким средам агар-агара или желатина. Для изготовления плотной среды в жидкую вносят обычно 1,5—2,0 % агар-агара, для полужидкой — 0,2—0,5 %.

Состав питательных сред определяется пищевыми потребностями микроорганизмов. В зависимости от состава исходных компонентов различают среды натуральные, синтетические и полусинтетические.

Натуральные среды состоят из естественных субстратов (мяса, молока, овощей и т. д.). К натуральным средам относятся мясопептонный бульон, гидролизованное молоко, пивное сусло, дрожжевой экстракт, настой сена, картофельная среда и др. Расшифровать химический состав таких сред довольно сложно. Молочнокислые бактерии очень требовательны к источникам питания, поэтому их выращивают в молоке, гидролизованном молоке, молочной сыворотке, пивном сусле, специально разработанных средах.

Синтетической называют среду, составленную из известных химических соединений в определенных количествах. Кишечная палочка неприхотлива в отношении питания, поэтому способна расти на синтетической среде достаточно простого состава.

Полусинтетические среды содержат как известные компоненты, так и субстраты неопределенного состава. Например, в синтетическую среду вносят дрожжевой автолизат или мясопептонный бульон.

По назначению различают элективные и дифференциально-диагностические среды.

Элективные среды используют для выделения отдельных групп микроорганизмов из мест их естественного обитания.

Дифференциально-диагностические среды используют для быстрой индикации микроорганизмов на основе их характерных признаков.

Потребности микроорганизмов в питательных веществах. Исходя из химического состава микроорганизмов, для биосинтеза основных макромолекул клетка должна получать вещества, содержащие макроэлементы С, О, Н, N, S, Р, Са, Fe, Mg и микроэлементы Мn, Со, Мо, Сu, Zn и др. Макроэлементы требуются в сравнительно больших количествах, от 0,2 до 0,5 г/л, тогда как микроэлементы нужны в очень низких концентрациях — от 0,1 до 0,001 мг/л. Минеральные вещества участвуют в регуляции осмотического давления в клетке, pH и E_h среды. Основной функцией микроэлементов является активация различных ферментов.

Среди всех вышеуказанных элементов наибольшее значение в питании микроорганизмов имеет углерод. В зависимости от используемого источника углерода микроорганизмы делятся на: аутотрофы (от греч. autos — сам, tгорhe — пища), использующие для конструктивных целей СO₂, и гетеротрофы (от греч. heteros — другой), потребляющие углерод из органических соединений.

Наибольшая степень гетеротрофности присуща микроорганизмам, являющимся облигатными или факультативными паразитами (от греч. parasitos — нахлебник). К факультативным гетеротрофным паразитам относятся патогенные бактерии, вызывающие инфекционные заболевания у человека, животных и растений; к облигатным, способным существовать только внутри клетки хозяина, относятся риккетсии, хламидии, вирусы, некоторые простейшие.

Следующую крупную группу гетеротрофов составляют сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение), использующие для своего питания разлагающиеся растительные или животные ткани. К сапрофитам относится большинство бактерий и микромицетов.

Для многих гетеротрофов оптимальным и наиболее доступным органическим источником углерода являются углеводы. Особенно широко они используют моносахариды — гексозы и пентозы. Некоторые группы микроорганизмов способны использовать в качестве источника углерода органические кислоты, первичные спирты, циклические соединения и др.

Азот и сера входят в состав органических соединений клетки в виде аминогрупп и сульфгидрильных групп аминокислот. Некоторые бактерии поглощают эти два элемента в окисленном состоянии — в форме нитратов и сульфатов. Поэтому они сначала восстанавливаются, а затем уже используются в процессах биосинтеза. Большинство бактерий используют азот в восстановленной форме в виде аминокислот, мочевины. Источником серы могут служить сульфиды или серосодержащие аминокислоты (например, цистеин).

Факторы роста — это вещества, которые не синтезируются многими бактериями, но необходимы им для построения органических компонентов клетки. Поэтому они должны присутствовать в питательной среде для выращивания микроорганизмов. К факторам роста относятся:

✵ аминокислоты, которые нужны для синтеза белков;

✵ пурины и пиримидины, используемые для синтеза нуклеиновых кислот;

✵ витамины, являющиеся простетическими группами или активными центрами некоторых ферментов.

Микроорганизмы, нуждающиеся в факторах роста, называют ауксотрофами. Микроорганизмы, которые сами синтезируют необходимые им факторы роста, называют прототрофами.

9.2.1. Типы питания микроорганизмов

Подразделение микроорганизмов на два основных типа — автотрофы и гетеротрофы — оказалось явно недостаточным, чтобы отразить все многообразие пищевых и энергетических потребностей микроорганизмов. Поэтому классификация микроорганизмов по типам питания включает такие основные критерии, как источник углерода, источник энергии и донор электронов. На основе вышеуказанных критериев все микроорганизмы можно разделить на четыре группы (табл. 6).

Таблица 6. Классификация микроорганизмов по типам питания

Конструктивные процессы в микробной клетке требуют затрат энергии. Микроорганизмы, способные использовать в качестве источника энергии солнечную радиацию, называют фототрофами(фотосинтезирующими). Микроорганизмы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, называют хемотрофами.

В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов, микроорганизмы делят на литотрофы (от греч. lithos — камень), использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения, и органотрофы — использующие для этой цели органические соединения.