Как дышат бактерии? Аэробы и анаэробы. Особенности дыхания прокариот

Дыхание(биологическое окисление) у бактерий тесно связано с питанием и дает энергию для осуществления функций клетки. При этом в ходе биохимических реакций образуется АТФ - универсальный аккумулятор и переносчик химической энергии у живых существ. Различают аэробный и анаэробный типы дыхания. Микробы, окисляющие органические соединения с использованием кислорода воздуха (в качестве акцептора ионов Н+), называют аэробами. В отличие от них, анаэробы получают энергию в ходе окислительно-восстановительных реакций, при которых акцептором Н+ является не кислород, а нитрат или сульфат (в бескислородных условиях). Многие микробы, имея полный набор дыхательных ферментов, могут существовать как в кислородной, так и бескислородной среде - это факультативные (необязательные) анаэробы с нитратным типом дыхания. Облигагные (обязательные) анаэробы существуют лишь в строго анаэробных условиях, т.к. в аэробных условиях образуются токсичные перекиси (Н2О2 и др.), которые не разрушаются из-за отсутствия у облигатных анаэробов фермента каталазы, для них характерен сульфатный тип дыхания. Необходимыми условиями для культивирования микробов являются:

• 1) наличие подходящей по составу питательной среды;
• 2) оптимальной (по содержанию О2 и др.) атмосферы над питательной средой;
• 3) оптимальной температуры.

Выделение чистой культуры анаэробов занимает 4 дня и отличается тем, что исследование ведут в анаэробных условиях на специальных средах и материал предварительно подращивают сутки в среде для накопления анаэробов. Методы культивирования анаэробов основаны на удалении кислорода из питательной среды и из атмосферы (используют механическое и физическое удаление или замещение, химическое или биологическое связывание О2)

• - перед посевом среды регенерируют (кипятят и быстро охлаждают);
• - делают посевы в высокие столбики среды в пробирках;
• - наслаивают поверх питательной среды вазелиновое масло;
• - культивируют в анаэроостате, из которого откачан воздух и замещён инертным газом или бескислородной смесью (азот, водород, углекислый газ);
• - культивируют в эксикаторе, на дно которого помещены химические поглотители кислорода (щелочной раствор пирогаллола и др.);
• - культивируют в герметично закрытой чашке с плотной средой, на две половины которой отдельно засевают анаэробы и аэробы, которые в ходе размножения поглощают кислород (метод Фортнера).

Страница 16 из 91

Жизнь микробов, как и всех живых существ, связана с беспрерывным расходованием энергии, и, следовательно, для поддержания физиологического равновесия необходимо постоянное возобновление ее запасов. Последнее осуществляется микроорганизмами при помощи процесса дыхания.
В отличие от животных и высших растений процесс дыхания у микробов, несмотря на их микроскопическую величину, отличается своей сложностью и многообразием, в основе которого лежит действие различных ферментов. По типу дыхания микроорганизмы делятся на три группы:

1. облигатные аэробы, развивающиеся только при свободном доступе кислорода. Процесс дыхания у них осуществляется при участии молекулярного кислорода воздуха (например, холерный вибрион).
2. облигатные анаэробы, способные жить только в отсутствие кислорода воздуха (например, столбнячная палочка).
3. факультативные анаэробы, к которым относится огромное большинство патогенных микроорганизмов; они могут существовать как в отсутствие кислорода воздуха, так и при незначительном доступе его.

Работами Пастера впервые было установлено, что ряд микроорганизмов может развиваться в бескислородной среде, получая необходимую энергию при расщеплении сложных органических веществ питательного субстрата. Процессы глубокого расщепления безазотистых органических соединений, в основе которого лежит обычно анаэробное дыхание, называется брожением. Процесс аэробного и анаэробного дыхания осуществляется биологическими катализаторами (ферментами), которые способны при дыхании активировать течение окислительных реакций. При аэробном и анаэробном дыхании в первой фазе процесса отмечается активация водорода ферментами из группы дегидрогеназ, которые отнимают водород от субстрата (питательной среды) и переносят его от одной органической молекулы к другой- от одного акцептора к другому (от лат. acceptor- воспринимающий). А так как в структуре атома водорода на орбите имеется один электрон, то процесс отнятия водорода от субстрата является окислительным. В последней фазе при аэробном дыхании аэробные дегидрогеназы передают отнятый от субстрата водород непосредственно кислороду воздуха, который является конечным акцептором. При этом может образоваться перекись водорода, которая играет роль окислителя органических соединений. Фермент каталаза, имеющийся у всех аэробных организмов, разлагает перекись водорода на воду и кислород, а фермент пероксидаза активирует кислород перекиси.
Анаэробные дегидразы не могут отдавать водород кислороду воздуха, а передают его другим акцепторам (ферментам, другим веществам, появляющимся в процессе брожения).
Как при аэробном, так и при анаэробном дыхании наблюдается, окисление одних веществ и восстановление других.
Сущность окисления состоит в потере электронов окисляющимся веществом, а при восстановлении происходит присоединение электронов восстанавливающимся веществом.
Таким образом, акты дыхания у микроорганизмов представляют собой ряд последовательных окислительно-восстановительных процессов, которые приводят к освобождению необходимой для их жизнедеятельности энергии.
Наиболее доступными продуктами для окисления аэробными микробами являются сахара, спирты и органические кислоты. Сложные азотистые соединения используются для дыхания в последнюю очередь. Анаэробные микробы в качестве окисляемого субстрата используют органические соединения и минеральные вещества.

Анаэробное дыхание является менее экономичным, чем аэробное, что видно из следующего примера. В процессе аэробного расщепления одной молекулы виноградного сахара освобождается 674 калории тепла. (СбН120б+602=6С02+6Н20+674 калории), а при анаэробном разложении той же молекулы - лишь 27 калорий (C6Hi206=2C2H50H+2C02+27 калорий).
Примечание. Тип дыхания микроорганизмов находит свое отражение в характере их роста на искусственных питательных средах. Так, например, туберкулезная палочка, являясь облигатным аэробом, в пробирке или колбе с питательным бульоном растет только поверхностно, в виде пленки, оставляя среду прозрачной, анаэробные бациллы - только придонио, а бактерии кишечно-тифозной группы (факультативные анаэробы) растут одинаково во всех слоях бульона, давая диффузный рост.
Методы культивирования анаэробов. Для культивирования анаэробов, помимо соответствующих питательных сред, необходимо создать бескислородные условия среды. Методов культивирования анаэробных микробов существует много. По принципам, положенным в основу этих методов, их можно разделить на химические, физические и биологические.
Химические методы. Есть два метода выращивания анаэробов. Первый метод заключается в том, что засеянные анаэробами пробирки или чашки помещают в замкнутое пространство (например, эксикатор) и ставят какой-нибудь поглотитель кислорода - гипосульфит натрия и щелочной раствор пирогаллола. На 1 г пирогаллола берут 10 мл 10% раствора NaOH; это количество вещества способно связать кислород в объеме около 200 мл воздуха.
Самые простые способы осуществления анаэробиоза с помощью этой смеси следующие:

1. Ватную пробку пробирки с посевом данной культуры подрезают, опускают несколько вглубь и смачивают раствором (0,5- 1 мл). Доступ воздуха прекращается путем закупоривания резиновой пробкой или резиновым колпачком.

1. Удаление воздуха из питательных сред перед засевом кипячением в водяной бане в течение 15 минут и последующим быстрым охлаждением до 45-50°. Для того чтобы не дать возможности воздуху вновь проникнуть в среду, пробирки запаивают, либо поверхность среды заливают стерильным парафиновым маслом.
2. Получение изолированных колоний в глубоких слоях среды по способу Виньяля. Техника посева по методу Виньяля следующая: в 3-4 пробирки с расплавленной агаровой средой делают посев испытуемого материала с постепенным его разведением. Не застывший еще после засева агар из каждой пробирки набирают в пастеровские пипетки, которые затем запаивают только с оттянутого конца (при запайке во избежание разбрызгивания материала нельзя держать противоположный конец зажатым). Трубки быстро охлаждают и переносят в термостат. Через 2-3 дня при удачном разведении исходного материала можно наблюдать отдельные колонии.

Для выделения колонии у намеченного на трубке места делают надрез напильником, после чего трубка легко надламывается. На этом месте содержимое выливают в стерильную чашку Гейденрейха - Петри, колонию берут петлей или втягивают в тонкую оттянутую пипетку и переносят в бульон или уколом в столбик сахарного агара.

1. Удаление воздуха (а следовательно, и кислорода) из среды механическим путем. Для этого пользуются особыми приборами - анаэростатами (рис. 41). Анаэростат в простейшей форме представляет собой прямоугольную или цилиндрическую металлическую коробку, закрывающуюся крышкой на резиновой прокладке. Цилиндр снабжен металлическим краном, присоединяющимся к насосу. Пробирки и чашки с посевами помещают внутрь, воздух выкачивают насосом. Для культивирования строгих анаэробов достаточно снизить давление до 1 мм.

Биологические методы. Из биологических методов чаще всего применяется заражение животных и метод Фортнера.
При заражении животных используемый материал вводят животному в смеси со специфической сывороткой. Этот метод может быть использован в двух направлениях:

1. Для выделения микробов из смеси. Если микроб соответствует сыворотке, он погибает. Другие же микробы, не соответствующие данной сыворотке, выделяются из животного.
2. Для определения токсинов. При наличии в исследуемом материале токсина животное, получившее его в смеси с антитоксической сывороткой, выживает. Контрольное животное погибает. Такая постановка диагноза широко применяется при биологической пробе на токсин.

Метод Фортнера. Этот метод приближает лабораторную технику к природным условиям развития анаэробных микроорганизмов. Фортнер применил метод симбиоза аэробных микробов, способных энергично поглощать кислород воздуха (Bact. prodigiosum), с анаэробами, засеянных на кровяной агар в чашке Гейденрейха - Петри. Чашка разделена на две части вырезанной полоской агара, чтобы при сплошном росте избежать смешивания культур. На одну половину чашки засевают исследуемый на анаэробы материал, на другую - заведомо известный облигатный аэроб (Bact. prodigiosum Сас. subtilis и др.).
Для изоляции внутреннего пространства чашки от внешней атмосферы края ее заливают воском или заклеивают пластилином. Методом Фортнера можно получить хороший поверхностный рост анаэробов.
Питательные среды для выращивания анаэробов. Бульон Китта - Тароцци. В пробирку с мясо-пептонным бульоном, прибавляют кусочки сваренной и промытой кипятком на сите печени (3-5 г на пробирку) или мясной фарш, заливают вазелиновым маслом и стерилизуют при 115° в течение 30 минут.
Кровяной агар с глюкозой (Цейсслера). Слабощелочной агар, содержащий 2-3% агар-агара и 2% глюкозы, разливают в большие пробирки (25 см длины и 2,5 см в поперечнике), приблизительно по 60 мл в каждую, стерилизуют 30 минут при 110° и в таком виде сохраняют. Перед употреблением агар растапливают в водяной бане, охлаждают до 45°, в каждую пробирку добавляют 12-15 мл стерильной дефибринированной крови, перемешивают и разливают в 3-4 чашки Гейденрейха-Петри. Готовые чашки выдерживают перед посевом 2 суток при комнатной температуре.
Агар для трубок Вейона. К мартеновскому бульону добавляют 2% агара и 0,5% глюкозы. Устанавливают pH 7,4, разливают в узкие пробирки (диаметр 0,3-0,5 см, длина 20 см). Столбик агара должен быть не выше 2/3 длины пробирки и стерилизуют дробно 3 дня по 40 минут в текучепаровом аппарате.

Дыхание - метаболический процесс протекающий в клетках с освобождением энергии и генерированием АТФ, в котором конечным акцептором электронов (водорода) служат неорганические соединения. В зависимости от конечного акцептора электронов различают аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании акцептором водорода является кислород, при анаэробном - неорганические окисленные соединения типа нитратов и сульфатов.
Аэробное дыхание. В качестве энергетического субстрата для дыхательного метаболизма микроорганизмы используют широкий круг природных соединений. Независимо от сложности структуры окисляемого субстрата потребление его в качестве источника энергии основано на одном и том же принципе: постепенное расщепление до образования простых соединений, способных вступать в реакции цикла трикарбоновых кислот. Таким соединением основных метаболических путей является пируват.
Окисление пирувата при аэробном дыхании осуществляется в цикле Кребса, в который он поступает при посредстве ацетил-КоА. Полное окисление его приводит к освобождению двух молекул углекислоты и восьми атомов водорода. Акцептором водорода, как указано выше, у аэробных бактерий является кислород. Передача

водорода (электронов) на кислород осуществляется через последовательную цепь молекул-переносчиков, так называемую дыхательную цепь, или цепь транспорта электронов:
Субстрат gt; НАД* Н2 gt; Флавопротеид gt; Кофермент О
gt; Цитохром с gt; Цитохром аа3 gt; 02
Дыхательная цепь представляет собой систему пространственно организованных молекул-переносчиков, осуществляющих перенос электронов от окисляемого субстрата к акцептору. Она развита у аэробов и факультативных анаэробов, только у последних терминальным акцептором электронов, кроме кислорода, являются нитраты и сульфаты.
Компонентами дыхательной цепи, локализованными в мембране, являются такие переносчики белковой природы, как флавопротеиды, FeS-белки, цитохромы, и небелковой природы - хиноны (убихиноны, менахиноны). НАД(Ф)-зависимые дегидрогеназы, отщепляющие водород от окисляемого субстрата - растворимые ферменты; флавопротеидные дегидрогеназы могут находиться либо в мембране, либо в растворимой форме в цитоплазме.
хиноны осуществляют перенос атомов и цитохромы - электронов. Так как содержащие переносчики электронов, погружены в цитоплазму, то имеется прямое взаимодействие между дыхательной цепью, с одной стороны, и окисляемым субстратом, АДФ и неорганическим фосфатом цитоплазмы - с другой. Такое свободное взаимодействие дыхательной цепи с цитоплазмой определяет отличительные особенности функционирования дыхательного аппарата прокариот от эукариот. Так, дыхательные цепи прокариот менее стабильны по сотаву переносчиков электронов и энергетически менее эффективны. В дыхательной цепи эукариот имеются три участка, где происходит выброс протонов и
А/л + , у большинства прокариот - только один- н
два участка, т. е. суммарный выход энергии у прокариот ниже.

Функционирование дыхательной цепи осуществляется
следующим образом. Водород окисляемого субстрата,
освобожденный в реакциях цикла Кребса или мобилизованный непосредственно НАД (Н2)-зависимыми дегидрогеназами передается в дыхательную цепь на флавиновые дегидрогеназы, затем на убихиноны. Здесь атом водорода расщепляется на протон и электрон. Протон выделяется в среду, электрон передается на систему цитохромов до цитохромоксидазы. Она передает электрон на кислород-терминальный акцептор, который активизируется и соединяется с водородом, образуя воду и перекиси. Последние разлагаются каталазой на воду и кислород. Перенос электронов приводит к значительному изменению свободной энергии в клетке.
Расчеты энергетического баланса показали, что при расщеплении глюкозы гликолитическим путем и через цикл традсарбоновых кислот с последующим окислением в дыхательной цепи до С02 и Н20 на каждый моль глюкозы образуется 38 молей АТФ. Причем максимальное количество АТФ образуется в дыхательной цепи - 34 моля; 2 моля - в ЭПМ-пути и 2 - в ЦТК.
Ввиду большого разнообразия ферментных систем, входящих в дыхательную цепь, окисляемых субстратов и терминальных акцепторов у бактерий существует большое количество разнообразных дыхательных цепей. Так, в дыхательной цепи уксусно-кислых бактерий отсутствуют цитохромы а + аз: дегидрогеназы -*С -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. Еще меньший набор компонентов имеет дыхательная цепь Agrobacterium tumefaciens: НАДН дегидрогеназа -»Q -»С -Ю2. Дыхательная цепь клубеньковых бактерий и азотобактера характеризуется наличием разнообразных цитохромов: дегидрогеназы -gt; Ь-gt; с-> а-gt; аз -gt;02. Укороченные дыхательные цепи характерны для многих бактерий. В энергетическом обмене они менее полезны для бактерий из-за низкого выхода АТФ.
Биолюминесценция. У некоторых бактерий существует ответвление от основнорй дыхательной цепи. Электроны от НАД передаются не на ФАД а на ФМН (флавомононуклеотид). Последний реагирует с ферментом люциферазой, кислородом и альдегидом пальмитиновой кислоты. Люцифераза (Л) катализирует

реакцию восстановительного альдегида (АН2) с АТФ (продукт этой реакции при последующем окислении испускает видимый свет):

Эта реакция получила название «светлячковой» из-за ее наличия у светлячка Photinus piralis. Ее используют для количественного определения АТФ, потому что интенсивность свечения находится в прямой зависимости от количества АТФ.
Механизм биолюминесценции состоит в том, что в результате взаимодействия ФМН с люциферазой, кислородом и альдегидом электроны в некоторых молекулах переходят в возбужденное состояние и возвращение их на основной уровень сопровождается испусканием света. Образования АТФ при люминесценции не происходит. Поэтому эффективность функционирования дыхательной цепи снижается, т. е. клетка не получает всей энергии, заключенной в окисляемом субстрате, так как часть ее превращается в световую.
Свечение бывает тем интенсивнее, чем лучше условия аэрации культуры. Светящиеся бактерии являются весьма чувствительными индикаторами молекулярного кислорода. М. Бейеринк применял светящиеся бактерии в качестве индикатора для обнаружения кислорода при бактериальном фотосинтезе (в те времена не было известно, что бактериальный фотосинтез протекает без выделения кислорода).
Способностью к биолюминесценции обладают факультативно-анаэробные морские бактерии, объединенные в род Photobacterium (светящиеся бактерии).В аэробных условиях они окисляют органические субстраты с испусканием лунно-голубого света. Биолюминесценция рассматривается как приспособление некоторых микроорганизмов к защите от вредного действия кислорода.
Неполное окисление. Большинство аэробных микроорганизмов в процессе дыхания осуществляют полное окисление углеводов до углекислоты и водь*. При этом

высвобождается вся энергия, заключенная в субстрате. Примером может служить окисление глюкозы пекарскими дрожжами:

Однако окисление может быть и неполным. Это зависит от видовой принадлежности микробов и условий развития. Обычно неполное окисление наблюдается при избытке в среде углеводов и недостатке кислорода. Конечными продуктами неполного окисления являются органические кислоты, такие как уксусная, лимонная, фумаровая, глюконовая и др. Типичным примером неполного окисления является образование уксусной кислоты из спирта бактериями рода Acetobacter:

Этот окислительный процесс используется микроорганизмами для получения энергии. При неполном окислении образование макроэргических фосфатных связей происходит в процессе переноса электронов. Однако общий выход энергии при этом значительно меньший, чем при полном окислении. Часть энергии окисляемого исходного субстрата сохраняется в образующихся органических кислотах. В связи с тем, что сходные кислоты (янтарная, молочная) образуются при брожении углеводов, неполное окисление называют «окислительным брожением». Отличительной особенностью неполного окисления является участие кислорода в реакциях. Поэтому аэрация - необходимое условие образования органических кислот микроорганизмами. Установлено, что образование а- глутаминовой кислоты бактериями (Corynebacterium glutamicum) происходит только в строго аэробных условиях. Причем выход данной аминокислоты может быть очень высоким - 0,6 моля глутамина на 1 моль использованной глюкозы.
Микроорганизмы, развивающиеся за счет энергии неполного окисления, используются в микробиологической промышленности для получения органических кислот, в том числе и аминокислот.
Анаэробное дыхание. В анаэробных условиях, т. е при отсутствии молекулярного кислорода, некоторые микроорганизмы,
такие как Micrococcus denitrificans и бактерии родов Desulfovibrio и Desulfotomaculum в качестве акцептора водорода используют окисленные минеральные соединения - нитраты, сульфаты, которые легко отдают кислород, превращаясь в восстановленные формы. Продуктами восстановления нитратов служит нитрит и молекулярный азот; сульфаты восстанавливаются до сероводорода и других соединений. Образовавшиеся восстановленные продукты выделяются из клетки. Окисление органического вещества в анаэробных условиях происходит путем дегидрогенирования Отщепляемый водород поступает в дыхательную цепь и переносится на соответствующий акцептор. Конечная реакция катализируется нитратредуктазой. Последняя в анаэробных условиях функционирует как цитохромоксидаза.
Нитратредуктаза является индуцибельным ферментом. Синтез ее происходит только в анаэробных условиях при наличии нитрата. Кислород ингибирует синтез нитратредуктазы. При наличии нитратредуктазы в клетке (если бактерии из анаэробных условий переносятся в аэробные) кислород конкурирует с нитратом за электроны в дыхательной цепи, подавляя тем самым функции данного фермента. Вот почему нитратное и сульфатное дыхание осуществляется только в анаэробных условиях.
Способность микроорганизмов использовать в качестве акцепторов электронов нитраты и сульфаты позволяет производить им полное окисление субстрата и получать таким путем необходимое количество энергии. Так, денитрифицирующие бактерии при нитратном дыхании производят полное окисление органических субстратов, выход энергии при этом только на 10% ниже, чем при аэробном дыхании. Образование АТФ происходит в результате фосфор ил ирова ния в дыхательной цепи.

Дыхание - это физиологический процесс, необходимый всем живым организмам для получения энергии. Большинство микроор­ганизмов получают энергию в результате сложного процесса фер­ментативных окислительно-восстановительных реакций, в основе которых лежит отделение и присоединение водорода. Принято счи­тать, что перенос водорода равноценен переносу электрона. Веще­ство, которое отдает электроны, окисляется и является донором. Вещество, которое принимает электроны, восстанавливается и на­зывается акцептором. В качестве доноров электронов могут быть органические и неорганические соединения, а конечными акцепто­рами - только неорганические соединения. В зависимости от ко­нечного акцептора водорода различают аэробное дыхание, анаэ­робное дыхание и брожение . Если конечным акцептором водоро­да является молекулярный кислород, то дыхание называют аэроб­ным, При анаэробном дыхании акцептором являются неорганичес­кие соединения типа нитратов или сульфатов. Если донором и ак­цептором водорода является органический субстрат, то такой энер­гетический процесс называется брожением. При брожении водо­род передается на органическое соединение, образующееся в ходе самого брожения.

В процессе брожения высвобождается меньше энергии, чем в аэробных условиях. В аэробных условиях окисление происходит наиболее полно, с выделением максимального количества энергии. При этом конечными продуктами окисления являются диоксид угле­рода и вода. В анаэробных условиях брожение сопровождается лишь частичным высвобождением энергии, связанной в органических веще­ствах. Поэтому для получения того же количества энергии бактериям в анаэробных условиях приходится расходовать больше органи­ческого субстрата. Это сопровождается накоплением в субстрате не полностью окислившихся веществ, содержащих запасы химичес­кой энергии - спирта, молочной кислоты, лимонной кислоты, масля­ной кислоты и др. В зависимости от продукта, который накапливает­ся в результате такого типа брожения, процессы получили название спиртового, молочного, маслянокислого брожения и т.п.

По отношению микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято подразделять на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.

Облигатные аэробы (от лат. obligatus - обязательный, стро­гий) развиваются при наличии в атмосфере 20 % кислорода, растут на поверхности плотных и жидких питательных сред, содержат ферменты оксидазы, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха. Реакция протекает по схеме рис. 27. Создаваемая разность потенциалов между водородом и кислородом является источником энергии для всех аэробов.

Передача электронов на кислород происходит не прямым путем, а в результате сложного многоступенчатого процесса - дыха­тельной цепи. В эту цепь входит сложный комплекс ферментов и ко ферментов, в том числе цитохромов, которые представляют собою белковые молекулы, соединенные с химической группиров­кой - гемом. Гем содержит атом железа, обладающий способнос­тью попеременно окисляться и восстанавливаться.

Во время прохождения электронов по цепи энергия освобож­дается отдельными небольшими порциями. Часть освобождающей­ся энергии аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфата (АТФ) - происходит окислительное фосфорилирование. Определенное количество энергии выделяется во внешнюю среду. Молодая бактериальная культура вырабатывает больше энергии, чем ей необходимо для жизненных процессов, поэтому иногда на­блюдается саморазогревание субстрата (зерно, навоз, торф и др.), а в отдельных случаях даже самовозгорание.

Рис. 27. Основные схемы цепи переноса электронов

у аэробных микроорганизмов.

Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем коли­честве кислорода. Высокая концентрация кислорода задерживает рост этих микроорганизмов (актиномицеты, лептоспиры, бруцеллы и др.).

Факультативные анаэробы могут размножаться как в при­сутствии, так и в отсутствии кислорода. В первом случае они ис­пользуют в процессах биологического окисления атмосферный кис­лород в качестве конечного акцептора водорода. При недостатке кислорода в качестве акцептора они используют нитраты, сульфа­ты и другие вещества. К этой группе относится большинство мик­роорганизмов. Типичными представителями факультативных анаэ­робов являются кишечная палочка, сальмонеллы и др.

Облигатные анаэробы размножаются в условиях полного отсутствии кислорода в среде обитания. В середине XIX века Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь воз­можна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных ус­ловиях, т.е. без кислорода, метаболизм основан на брожении. Пастер так и говорил, что брожение - «это жизнь без кислорода)».

В анаэробных условиях микроорганизмы получают энергию при окислении органических субстратов не кислородом воздуха, а связанным кислородом неорганических соединений (нитратов, суль­фатов), которые при этом восстанавливаются. Это объясняется свойством дыхательных анаэробных ферментов - анаэробных или первичных дегидрогеназ, которые могут передавать водород толь­ко на органический субстрат или другим дегидрогеназам. В аэроб­ных условиях аэробные, или вторичные, дегидрогеназы передают водород кислороду воздуха с образованием пероксида водорода. который затем быстро разрушается каталазой. Анаэробы не обла­дают способностью продуцировать фермент каталазу, разрушающему высокотоксичный для бактерий пероксид водорода. Поэто­му для многих видов анаэробов кислород токсичен даже в ничтож­ных концентрациях.

Кроме того, при наличии кислорода в среде происходит инак­тивация жизненно важных ферментов анаэробов, в результате чего они теряют способность к нормальному питанию. При добавлении в среду редуцирующих веществ, например, глюкозы, жизнедеятель­ность микроорганизмов восстанавливается.

Коблигатным анаэробам относятся: палочка масляиокислого брожения (Clostridium butirycum), палочка ботулизма (Clostridium botulinum), палочка столбняка (Clostridium tetani) и др.

Дыхание бактерий. Необходимую для своей жизнедеятельности энергию клетка бактерии получает в процессе дыхания бактерии.

По типу дыхания все микроорганизмы делятся на две группы: микробы, у которых процесс дыхания связан с использованием свободного кислорода воздуха, и микроорганизмы, не нуждающиеся в свободном кислороде, который для них оказывается даже вредным.

Первая группа микроорганизмов получила название аэробов (тип дыхания аэробный); вторая группа - анаэробов (тип дыхания - анаэробный).

Расщепление углеводов в бескислородных условиях называется брожением. В зависимости от вида микроорганизмов, вызывающих процесс брожения, последний бывает спиртовым, уксуснокислым и др. Это значит, что в процессе брожения может образовываться либо спирт, либо уксусная кислота и т. д.

Ферменты бактерий. Процессы питания и дыхания бактерий протекают обязательно при участии ферментов - особых веществ белкового характера. Ферменты даже в самых незначительных количествах намного ускоряют соответствующие химические процессы, сами почти не изменяясь.

Без ферментов процессы питания и дыхания могли бы протекать, но очень медленно. Ферменты образуются только в живых клетках. Одна группа ферментов не связана с микробной клеткой, и они выделяются бактериями в окружающую среду. Функция этой группы заключается в том, что ферменты способствуют расщеплению сложных соединений на более простые, доступные усвоению. Другая группа ферментов (таких большинство) находится внутри бактериальной клетки и связана ней.

Кроме того, существуют ферменты, которые появляются у бактерий в процессе приспособления к изменившимся условиям питания.

Характерная особенность ферментов заключается в том, что на вещества определенного состава или групп действует свой фермент. Так, имеются ферменты для переработки сложных углеродистых соединений (сахаров), белков, жиров и т. д.

Рост и размножение бактерий. Процесс роста бактериальной клетки выражается в увеличении ее размеров. Этот процесс протекает очень быстро - в течение нескольких минут.

После того как бактерии достигают взрослого состояния, начинается процесс размножения путем простого поперечного деления. В благоприятных условиях (достаточное питание, благоприятная температура) бактериальная клетка делится каждые 50-30 мин. Подсчитано, что если бы размножение бактерий происходило беспрепятственно, то в течение 5 суток из одной клетки образовалась бы такая живая масса, которая заполнить все моря и океаны. Но такое размножение требует как указывалось выше, ряда благоприятных условий, которые во внешней среде не имеют места.

Химический состав бактерий. Бактериальная клетка содержит большое количество воды - 75-85% массы клетки. Oстальные 15% приходятся на сухой остаток, в состав которого входят белок, углеводы, жиры, соли и другие вещества.

Бактериальные белки представляют собой сложные белки, состоящие из различных химических соединений. Эти химические вещества необходимы для жизнедеятельности бактериальной клетки.

Кроме белков в состав сухого остатка бактерий входят углеводы (12-28%), нуклеиновые кислоты.

Количество жиров, входящих в состав сухого остатка, может быть различным. У некоторых форм бактерий содержание жира доходит до "/з сухого остатка. В основном жиры входят в состав оболочки, обусловливая ряд ее свойств.

Необходимой составной частью бактериальной клетки являются минеральные соли, составляющие около "/зоо всей масс клетки. В состав бактериальных клеток входят также азот, кислород, водород, углерод, фосфор, калий, натрий, магний, кальций, кремний, сера, хлор, железо.

В зависимости от условий внешней среды химический состав бактерий может изменяться как количественно, так и качественно.

Питание бактерий. Питание бактерий - весьма сложный процесс, который происходит за счет непрерывного проникновения определенных питательных веществ через полупроницаемую оболочку и выделения из клетки продуктов обмена.

Так как оболочка бактерий непроницаема для белков и других сложных соединений, необходимых для питания клетки, эти вещества усваиваются после расщепления ферментами.

Большое значение для нормального питания бактерий имеет правильное соотношение концентраций солей внутри клеток и в окружающей среде. Наиболее благоприятные условия питания создаются при концентрации солей в окружающей среде, равной 0,5% раствора хлористого натрия.

При попадании в 2-10%-ный раствор хлористого натрия происходит сморщивание бактериальной клетки - обезвоживание, которое делает ее неспособной к размножению. На этом основан способ консервирования продуктов при помощи соления.

Для питания бактериям необходимы кислород, водород, углерод и азот. Источниками снабжения этими веществами может быть вода, воздух и др.

Помимо перечисленных обычных питательных веществ для роста бактерий необходимы особые химические соединения.

Установлено, что некоторые виды стрептококков совершенно не растут при отсутствии витамина В.

Пигментообразование. Некоторые виды бактерий и грибков обладают способностью образовывать различные красящие вещества- пигменты. Большей частью этой способностью обладают бактерии, находящиеся в почве, воздухе и воде. Особенно отчетливо это качество микробов обнаруживается в лабораторных условиях. При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют колонии, которые благодаря различным пигментам имеют окраску: красную, белую, фиолетовую, золотистую и др.

Установлено, что наилучшими условиями для образования пигмента являются достаточный доступ кислорода, света и комнатная температура.

Считают, что пигменты у микробов выполняют защитную функцию против губительного действия солнечного света; кроме того, они играют определенную роль в процессах дыхания.

Свечение. В природе существуют микробы, в том числе и бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют вещества, способные при соединении с кислородом воздуха светиться. Явления свечения гнилушек, поверхности моря и др. объясняются развитием подобных микробов. Такие светящиеся микробы не болезнетворны для человека.

Образование запахов. Свойство микробов образовывать запахи (ароматообразование) объясняется наличием особых летучих веществ, которые по своей химической природе близки к эфирам (эфироподобные вещества). Различные ароматообразующие бактерии используются в пищевой промышленности для изготовления сыра, масла, вина и других продуктов.

Из бактерий, являющихся болезнетворными для человека и издающих запах при выращивании в лабораторных условиях, можно назвать туберкулезную палочку, запах которой приближается к запаху меда, и т. д.

Микробные яды. Попадая в организм человека, и размножаясь там, микробы вырабатывают вещества, отрицательно действующие на нервную систему, сердце, внутренние органы. Эти вредные вещества получили название токсинов. Микробные токсины - наиболее сильнодействующие яды из всех известных. Даже незначительное их количество может оказать ядовитое действие на организм. Поражения, наблюдаемые при многих инфекционных заболеваниях, связаны с действием микробных токсинов. Токсины имеются почти у всех болезнетворных микробов. Токсины бывают двух видов: экзотоксины и эндотоксины.

Экзотоксинами называются яды, которые легко выходят из микробной клетки в окружающую среду.

Экзотоксины характеризуются относительно малой устойчивостью, легко разрушаются под влиянием нагревания, действия света и различных химических веществ. Характерным свойством экзотоксинов является их действие в крайне малых дозах.

Микробные экзотоксины - это одни из наиболее сильных. Так, например, 0,00001 мл столбнячного токсина вызывает бель белой мыши, а токсин микроба ботулизма действует в меньшей дозе.

Эндотоксины прочно связаны с телом микробной клетки, освобождаются только после разрушения тела микроба. В отличие от экзотоксинов эндотоксины вызывают в организме следующие признаки отравления: головную боль, слабость, одышку т. д. Эндотоксины более устойчивы, чем экзотоксины, некоторые выдерживают даже кипячение. Токсичность для организмов у них значительно меньше, чем у экзотоксинов.

Эндотоксины имеются у всех болезнетворных микробов; экзотоксины вырабатываются только некоторыми из них - дифтерийной палочкой, стафилококком, бактерией ботулизма.

Изменчивость микробов. В естественных условиях на микробы постоянно воздействуют многие факторы, обусловливающие процесс изменчивости. К этим факторам помимо питания, температуры относится явление микробного антагонизма, влияние внутренней среды организма человека и животного.

Благодаря тесному контакту с окружающей средой и интенсивному размножению микроорганизмы быстро приспосабливаются к новым условиям, и соответственно с этим изменяются их первоначальные свойства. Например, в горячей воде гейзеров обитают бактерии, которые оформились как вид под влиянием окружающих условий. Некоторые болезнетворные микробы при взаимодействии с лекарственными веществами могут приобрести к ним устойчивость. Таким образом, огромное значение для жизнедеятельности организма имеют условия cyществования, изменяя которые (питание, температуру, влажность и др.), можно вызвать соответствующие изменения природы микроорганизма.

Изменчивость свойственна всем видам микроорганизмов. Одной из причин изменчивости микробов является бактериофаг.

Бактериофаги - это живые организмы, которые размножаются только тогда, когда проникают извне внутрь микробной клетки. Вне организма микробов бактериофаги не размножаются, а находятся в состоянии покоя. Действие бактериофага на микробную клетку заключается в следующем: окружив микробную клетку, бактериофаги постепенно проникают внутрь и размножаются. Быстрота размножения бактериофага зависит от многих условий: характера микроба, условий его существования и др. Через 1-3ч внутри микробной клетки образуется множество новых бактериофагов, оболочка этой клетки разрывается, и вся масса бактериофагов выпадает из нее.

При взаимодействии бактериофага с микробом, последний всегда гибнет. Если активность бактериофага недостаточна, отдельные микробные клетки выживают и дают начало росту новых микробных клеток, уже устойчивых к данному бактериофагу.

Под влиянием бактериофага микробы изменяют свои свойства: лишаются болезнетворной способности, теряют капсулу и др.

Для каждого вида болезнетворного микроба существует свой бактериофаг, например, дизентерийный, брюшнотифозный, стафилококковый.

Под действием света, кислорода воздуха, тепла, бактериофаг теряет активность в течение 1-2 месяцев. Ультрафиолетовые лучи разрушают бактериофаги за 15 мин. Быстрое уничтожение бактериофагов происходит в кислой среде.

Бактериофаги находятся повсюду, где есть бактерии. Различные бактериофаги можно обнаружить в сточных водах, речной воде, в выделениях человека и животного и других объектах.