Факторы роста микроорганизмов. Факторы роста бактерий

Как у всего живого, метаболизм микроорганизмов состоит из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих, но противоположных процессов - анаболизма, или конструктивного метаболизма, и катабо­лизма, или энергетического метаболизма.

Обмен веществ у микроорганизмов имеет свои особенности.

1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки мик­робная клетка может переработать такое количество питательных ве­ществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.

2) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.

3) Питание осуществляется через всю поверхность клетки. Прокариоты не проглатывают питательные вещества, не переваривают их внутри клетки, а расщепляют их вне клетки с помощью экзоферментов до более простых соединений, которые транспортируются в клетку.

Для роста и жизнедеятельности микроорганизмов обязательно на­личие в среде обитания питательных материалов для построения ком­понентов клетки и источники энергии. Для микробов необходимы вода, источники углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, калия, на­трия и других элементов. Требуются также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь для синтеза ферментов. Различные виды микро­бов нуждаются в тех или иных факторах роста, таких, как витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания.

В зависимости от способности усваивать органические или не­органические источники углерода и азота микроорганизмы делятся на две группы - аутотрофов и гетеротрофов.

Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся) получают уг­лерод из углекислоты (СО 2) или ее солей. Из простых неорганических соединений они синтезируют белки, жиры, углеводы, ферменты.

В зависимости от источников энергии и природы доноров микроорганизмы подразделяют на фототрофы (фотосинтезирующие), способные использовать солнечную энергию, и хемотрофы (хемосинтезирующие), получающие энергию за счет окислительно – восстановительных реакций. К фототрофам относятся исключительно сапрофитные микроорганизмы. В патологии человека ведущую роль играют хемосинтезирующие микроорганизмы.

В зависимости от природы доноров электронов хемотрофы подразделяются на хемолитотрофы (хемоавтотрофы) и хемоорганотрофы (хемогетеротрофы).

В зависимости от источников азота – прототрофы – микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, АК и др.) из глюкозы и солей аммония. Ауксотрофы – микроорганизмы, не способные синтезировать какое – либо из указанных соединений. Они ассимилируют эти соединения и другие факторы роста в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.

Транспорт питательных веществ

Через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану внутрь клетки прокариотов проникают только небольшие молекулы, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры вначале расщепляются экзоферементами до более простых соединений, которые транспорти­руются внутрь клетки.

Проникновение питательных веществ в клетку происходит с по­мощью различных механизмов.

Пассивная диффузия - вещества поступают в клетку за счет диф­фузии по градиенту концентрации, то есть вследствие того, что кон­центрация вне клетки выше, чем внутри.

Облегченная диффузия - также совершается по градиенту кон­центрации, но с участием ферментов-переносчиков, так называемых пермеаз. Этот фермент присоединяет к себе молекулы вещества на внеш­ней стороне цитоплазматической мембраны и отдает его на внутрен­ней стороне в неизмененном виде. Затем свободный переносчик пере­мещается снова к наружной стороне мембраны, где связывает новые молекулы вещества. При этом каждая пермеаза переносит какое-то определенное вещество.

Эти два механизма переноса не требуют энергетических затрат.

Активный перенос происходит также с участием пермеаз, причем осуществляется против градиента концентрации. Микробная клетка может накопить вещество в концентрации, в тысячи раз превышаю­щих ее во внешней среде. Такой процесс требует затрат энергии, то есть расходуется АТФ.

Транслокация радикалов - это четвертый механизм передачи ве­ществ. Это активный перенос химически измененных молекул, с учас­тием пермеаз. Например, такое простое вещество, как глюкоза, пере­носится в фосфорилированном виде.

Выход веществ из бактериальной клетки происходит путем пас­сивной диффузии или путем облегченной диффузии с участием пермеаз.

Факторы роста микроорганизмов:

К факторам роста относят аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, липиды, витамины, железопорфирины (гем) и другие соединениями. Некоторые микроорганизмы самостоятельно синтезируют необходимые им ростовые факторы, другие получают их в готовом виде из окружающей среды. Потреб­ность того или другого микроорганизма в определенных ростовых факторах является стабильным признаком, который использует­ся для дифференциации и идентификации бактерий, а также при изготовлении питательных сред для лабораторных и биотехно­логических целей.

Аминокислоты. Многие микроорганизмы, особенно бактерии, нуждаются в тех или других аминокислотах (одной или несколь­ких), поскольку они не могут их самостоятельно синтезировать, например клостридии - в лейцине, тирозине, стрептококки - в лейцине, аргинине и др. Такого рода микроорганизмы называют­ся ауксотрофными по тем аминокислотам или другим соедине­ниям, которые они не способны синтезировать.

Пуриновые и пиримидиновые основания и их производные (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин и др.) являются факто­рами роста для разных видов стрептококков, некоторые азотис­тые основания нужны для роста стафилококков и других бакте­рий. В нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм.

Липиды, в частности компоненты фосфолипидов - жирные кислоты, нужны для роста некоторых стрептококков, микоплазм. Все виды микоплазм ауксотрофны по холестерину и другим сте-ринам, что отличает их от других прокариот. Эти соединения входят в состав их цитоплазматической мембраны.

Витамины, главным образом группы В, входят в состав ко-ферментов или их простетических групп. Многие бактерии аук­сотрофны по определенным витаминам. Например, коринебактерии дифтерии, шигеллы нуждаются в никотиновой кислоте или ее амиде, который входит в состав НАД и НАДФ, золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы - тиамине (ВО, входящем в состав пирофосфата, некоторые виды стрептококков, бациллы столбняка - в пантотеновой кислоте, являющейся составной частью кофермента КоА и т. д. Кроме того, факторами роста для многих бактерий являются фолиевая кислота, биотин, а также темы - компоненты цитохромов. Последние необходимы гемофильным бактериям, микобактериям туберкулеза и др.

Существует целый ряд факторов, которые оказывают существенное влияние на рост и развитие всех бактерий. Среди основных причин можно назвать:

• температуру;
• химический состав среды;
• кислотность (уровень, pH);
• влажность;
• свет.

Изменение какого-либо одного или целого ряда условий может подавить или ускорить развитие бактерии, заставить ее подстроиться под новую среду обитания или привести к гибели.

Для прокариотов понятия роста и развития почти тождественны. Под ними понимается то, что в процессе жизнедеятельности отдельный микроорганизм или группа бактерий синтезируют клеточный материал (белок, ДНК, РНК), за счет чего происходит увеличение цитоплазматической массы. Рост продолжается еще некоторое время, пока клетка не становится способной к размножению, и тогда развитие бактерий останавливается.

Размножение характеризуется способностью к самовоспроизведению. Результатом этого процесса является увеличение числа микроорганизмов на единицу объема, то есть происходит рост популяции.

Все вещества и структуры клетки могут расти и развиваться пропорционально. В этом случае микробиологи говорят о сбалансированном росте. Он таковым не является, если изменяются особенности среды. Тогда начинают преобладать определенные продукты метаболизма, а выработка других веществ прекращается. Зная о такой закономерности, ученые делают процесс роста намеренно несбалансированным, чтобы производить синтез полезных соединений.

Жизненный цикл бактериальной клетки

Деление клетки микроорганизма, за счет которого и осуществляется размножение, характеризуется достаточно коротким временным циклом. На скорость образования колонии микробов оказывают влияние все перечисленные выше факторы. В достаточно питательной среде с нужным уровнем pH и при оптимальной температуре время генерации может составлять от 20 минут до получаса. В проточной воде цикл развития может сокращаться до 15–18 минут.

Идеальные условия, гарантирующие такой быстрый рост, достаточно редко встречаются: питание в нужном объеме отсутствует, мешают накапливающиеся продукты распада. Если бы воплотился в жизнь сценарий с возникновением наилучших условий для цикла размножения бактерий, то за сутки только одна клетка кишечной палочки образовала бы обширную колонию весом в несколько десятков тысяч тонн!

Рост микроорганизмов исследовался в условиях замкнутых резервуаров, где, находясь в воде, бактерии не сразу начинали развиваться и размножаться. Только попав в питательную среду, они некоторое время приспосабливались к новым условиям. Размножение проходило постепенно, пока не стало спадать и не прекратилось вовсе. Эти наблюдения позволили выделить некоторые фазы развития, складывающиеся в общий жизненный цикл существования бактерий.

1. Исходная фаза характеризуется отсутствием роста и деления клеток. Идет процесс адаптации (от 1 до 2 часов).
2. Период интенсивного роста получил название лаг-фаза. Начинается деление клеток, но пока очень медленно. Продолжительность этого этапа развития индивидуальна у различных видов бактерий. К тому же на время ее протекания оказывают влияние условия среды.
3. Для третьей фазы характерно начало интенсивного размножения, скорость которого возрастает по экспоненте.
4. Период генерации начинает увеличиваться к началу четвертой фазы. Но питательная среда истощается, в ней растет концентрация продуктов обмена. Скорость размножения снижается, а некоторые клетки погибают.
5. Этой фазе цикла свойственно сохранение знака равенства между вновь появляющимися клетками и количеством погибших микроорганизмов. Популяция продолжает ненамного увеличиваться.
6. Шестая и седьмая фазы завершают цикл развития. Это время отмирания клеток, число погибающих начинает доминировать.
7. На финальной восьмой стадии цикл жизни бактерий завершается. Скорость отмирания уменьшается, но под воздействием неблагоприятных факторов среды гибель продолжается.

Описанные стадии соответствуют непроточной культуре бактерий. Чтобы рост не замедлялся, в среду постоянно можно вводить новые порции питательных веществ, выводя из нее продукты обмена. Это позволяет добиться того, чтобы нужные микроорганизмы постоянно находились в периоде развития. Такой принцип проточного культивирования микроорганизмов используется, например, в аквариуме.

Влажность как необходимое условие жизнедеятельности микроорганизмов

Для роста и развития бактериям нужно, чтобы уровень влажности в среде их обитания поддерживался на определенном уровне. Воде отводится важная роль при осуществлении обмена веществ, она помогает поддерживать нормальное осмотическое давление в клетке бактерии, делает ее жизнеспособной. Поэтому почти все прокариоты влаголюбивы, а падение этого показателя до значения ниже 20% относят к деструктивным для роста факторам.

Чем меньше воды содержится в среде, тем пассивнее идет процесс размножения. На продуктах питания это утверждение проверяется легче всего: сухими они хранятся гораздо дольше. Но такой способ обработки и хранения не является универсальным. Сушка задерживает рост некоторых бактерий и микробов, но есть и те, кто сохранит свою дееспособность.

Влияние кислотности среды на жизнеспособность бактерий

Кислотность среды относят к одному из важнейших показателей для роста и развития микроорганизмов. Ее обозначают символом pH и рассматривают в интервале от 0 до 14. Кислым средам соответствуют значения от 0 до 6, для щелочных показатель колеблется от 8 до 14, а нейтральной точкой считается уровень pH 7,07. Оптимумом для развития микроорганизмов являются цифры, характеризующие нейтральную среду.

Интервал pH от 1 до 11 – это предельные показатели, при которых удалось выжить некоторым бактериям. Но в основной массе их рост прекращается при уровне кислотности, равном 4. Если значение pH определяется как 9, то практически все известные микроорганизмы перестают размножаться. То есть для развития и роста бактерий важно, чтобы кислотность находилась в рамках от 4 до 9.

Существует вид прокариотов, для которых жизненно важно, чтобы pH как можно больше соответствовал кислым средам. Их называют ацидофильными и относят к виду молочнокислых бактерий. Когда они оказываются в молоке, то начинают перерабатывать содержащиеся в нем углеводы в молочную кислоту. Они являются важными участниками процесса получения пробиотических продуктов.

Полезные свойства молочнокислых ацидофильных микроорганизмов используются и для того, чтобы создать лекарственные препараты. Они оказывают благотворное влияние не только на функцию кишечника, но и помогают справиться с рядом других заболеваний. Понижение уровня pH с целью сохранения заготовок на зиму использует каждая хозяйка. Добавление уксуса создает кислую среду, в которой патогенные микроорганизмы не выживают.

Для некоторых молочнокислых бактерий в процессе роста и развития характерен синтез кислоты в таком большом количестве, что pH падает до критического уровня, и они прекращают развиваться или погибают. Встречаются и настоящие рекордсмены по выживанию и успешному функционированию в кислых средах. Так, при оптимальном значении pH, равном 2,5, молочнокислая ацидофильная бактерия Thiobacillus thooxidans может развиваться при показателе кислотности 0,9.

Что происходит с микроорганизмами во время бактерицидной фазы?

Если бактерии при идеальных условиях способны очень быстро развиваться, то почему, например, в только что полученном молоке их рост некоторое время не происходит? Среда достаточно благоприятная, и даже асептические условия доения не исключают наличие большого числа микроорганизмов. Но в свежем молоке имеются лактенины – бактерицидные вещества, способные определенный период времени сдерживать развитие бактерий.

Действие лактенинов настолько сильно, что многие микроорганизмы не просто замедляют рост, но и погибают. Период их действия, названный бактерицидной фазой, постепенно заканчивается. Это зависит от начального количества бактерий в молоке и повышения температуры продукта. Влияние лактенинов может продолжаться от 2 до 40 часов. Бактерицидную фазу стараются продлить и молоко охлаждают. По ее истечении рост микробов и бактерий возобновляется.

Даже если изначально в молоке было небольшое количество молочнокислых микроорганизмов, то они постепенно начинают преобладать. И для того чтобы предотвратить скисание и избавиться от вредных бактерий, применяют тепловые способы обработки. Нагрев, кипячение и другие виды тепловой обработки относят к еще одному способу устранения нежелательной микрофлоры в продуктах. И можно назвать еще одну важную составляющую среды, оказывающую влияние на рост и развитие бактерий, – температуру.

Чего боятся мезофилы?

Особенности строения бактерий исключают у них наличие механизмов, которые могли бы регулировать температуру. Поэтому они очень зависят от того, насколько охлаждается или нагревается среда их обитания. По температурным предпочтениям прокариотов принято делить на:

• Психрофилов – любителей низких показателей (диапазон от 0 до 35°C, оптимум 5–15°C).
• Термофилов – они предпочитают высокие температуры (40–80°C допустимые условия для существования, но оптимальный показатель от 55 до 75°C).
• Мезофилов. К ним относят большинство бактерий, в том числе и болезнетворных. Их рост и развитие требуют температуры в 30–45°C. Диапазон для их выживания гораздо шире (от 40 до 80°C), но только при оптимуме жизнедеятельность протекает наиболее активно.

Прямое влияние повышения или понижения температуры на развитие микрофлоры помогает бороться с ее присутствием на продуктах. Особое значение эта мера обработки приобретает в рамках предотвращения ботулизма.

Clostridium botulinum, или Еще один повод для тщательной тепловой обработки продуктов

В процессе роста и развития некоторые микроорганизмы способны производить особо опасные для здоровья человека вещества – токсины. Бактерия Clostridium botulinum является причиной возникновения ботулизма, при котором наиболее вероятен летальный исход. Выделяют две разновидности существования бактерии:

• вегетативную;
• споровую.

Вегетативный вариант ботулизма не так опасен. Микроорганизм с такой формой существования погибает уже после того, как продукт подвергся кипячению в течение 5 минут. А вот споры ботулизма погибнут только после пятичасовой обработки, при этом температура должна достигать определенной отметки. Споры – это своеобразные защитные оболочки, которые сохраняют дремлющую бактерию длительное время. Спустя несколько месяцев происходит их прорастание, и ботулизм «просыпается».

Споры надежно хранят свой ценный груз и в условиях холода, и под действием ультрафиолета. Критической окажется температура в 80°C для вегетативной разновидности ботулизма и более длительная обработка при 120°C для споровой формы. Эти условия не всегда соблюдаются хозяйками при консервировании заготовок, поэтому заразиться можно и от неправильно приготовленных домашних консервов.

Для ботулизма свойственны следующие первые признаки:

• боли в центральной части живота;
• приступы диареи (от 3 до 10 раз в сутки);
• головная боль;
• чувство слабости, недомогание и быстрая утомляемость;
• периодическая рвота;
• высокая температура тела (до 40°С).

Начало ботулизма несколько реже, но все-таки может сопровождаться расстройством зрения, расплывчатым видением предметов, наличием тумана или мушек перед глазами и не проявлявшейся ранее дальнозоркостью. Дыхательные сбои и затрудненное глотание – еще один возможный симптом.

Осложнения ботулизма проявляются в виде вторичных бактериальных инфекций, например, пневмонии, пиелонефрита, сепсиса, гнойного трахеобронхита. Может развиваться аритмия, происходит поражение миозитом икроножных и бедренных мышц. Болезнь протекает около трех недель, а в результате грамотного и своевременного лечения ботулизма восстанавливаются утраченные функции зрения, дыхания и возвращается способность глотать.

Как бактерии размножаются в еде?

Любые продукты, употребляемые человеком в пищу, имеют собственную микрофлору. Ее можно разделить на два вида:

• специфическую – это микроорганизмы, которые были добавлены намеренно для того, чтобы придать определенные вкусовые или ароматические качества;
• неспецифическую – ее составляют бактерии, попавшие на продукт случайно (не был соблюден санитарный режим на производстве или в магазине, нарушались сроки хранения, правила обработки).

При этом разные представители болезнетворных прокариотов предпочитают свой определенный тип продуктов. Сальмонеллы, например, заядлые любители яиц, мяса и молока. Опасность заражения заключается в том, что в чистоте продукта нельзя убедиться по его внешнему виду. Сальмонеллы в зараженном мясе, субпродуктах или фарше никак не меняют их цвет, вкус или запах. Если приготовленные из такого сырья блюда не пройдут правильную тепловую обработку, то заболевание неизбежно.

Палочкам сальмонеллы для развития нужна температура в 37°C, спор и капсул они не образуют, но к условиям внешней среды весьма устойчивы. Даже в охлажденном до 0°C мясе они способны выживать до 140 суток. При этом способность к делению не утрачивается. В открытых водоемах сальмонеллы останутся жизнеспособными около 4 месяцев, а в яйцах птиц примерно год. Большая часть штаммов способна выживать после воздействия антибиотиков и дезрастворов.

Сальмонеллы, служащие возбудителями инфекции, чаще всего живут в организме сельскохозяйственных животных. Болезнь у коров, лошадей, овец, свиней или птиц протекает без симптомов. Возбудители выделяются вместе с мочой, слюной, испражнениями и слизью из носа, но люди заражаются чаще всего через молоко, мясо или яйца (пищевой способ). Сальмонеллы могут передаваться и от уже заболевшего человека (контактно-бытовой путь передачи).

Мясо птиц или животных может быть заражено во время транспортировки или обработки. Чтобы сальмонеллы не стали причиной заболевания, в домашних условиях можно только соблюдать простые правила профилактики любых кишечных инфекций.

• качественная обработка мяса, рыбы, яиц и молока;
• покупка мясных полуфабрикатов, необработанной продукции с частных фермерских хозяйств только при наличии заключения СЭС о безопасности;
• выполнение правил личной гигиены;
• отдельный инвентарь для разделки сырых и вареных продуктов поможет не стать носителями сальмонеллы.

Со стороны фермерских хозяйств и соответствующих надзорных органов должен вестись постоянный мониторинг условий содержания животных, их здоровья и качества продукции (особенно мяса) на выходе.

Болезнь протекает следующим образом. Палочки сальмонеллы попадают в пищеварительный тракт. В верхних отделах кишечника они уничтожают часть полезной микрофлоры, затем начинают размножаться в тонкой кишке. При этом нарушается работа этого отдела ЖКТ, страдает перистальтика. Затем болезнь переходит в острую форму, начинается интоксикация организма, обезвоживание, судороги и острая почечная недостаточность. Так что недооценивать сальмонеллез весьма опрометчиво.

Как добиться сохранения численности популяции микроорганизмов в аквариуме

Как уже упоминалось, в воде численность бактерий может резко увеличиваться. И не всегда это полезная микрофлора. Чтобы рыбы и растения в аквариуме не болели, а вода оставалась чистой и незамутненной, существуют специальные препараты, помогающие функционировать полезным микроорганизмам или содержащие нужные бактерии.

Аквариумисты стремятся к тому, чтобы в водной среде всегда присутствовали простейшие, отвечающие за азотный цикл. Препараты, направленные на поддержание такой микрофлоры, отвечают за то, чтобы в воде аквариума восполнялись природные ферменты и коллоиды. Поврежденные или больные микроорганизмы при наличии такой поддержки приходят в норму и возвращают свои утраченные способности.

Препараты, улучшающие состояние воды в аквариуме, расщепляют органические вещества, останавливают размножение и рост водорослей. Есть и такие растворы, которым под силу восстановить кислотность и поддерживать ее на нужном уровне. Но они будут эффективны только в том случае, если аквариум не находится в запущенном состоянии, а фильтрующие материалы заменены новыми.

Ускорить переход азота в простую форму, снизить жесткость воды также под силу специальным препаратам. Создаваемое ими в аквариуме биологическое равновесие гарантирует, что скорость образования продуктов жизнедеятельности будет равна скорости их выведения. А в незагрязненной отходами воде охотно развиваются и функционируют полезные бактерии.

Так называемые стартовые микроорганизмы содержатся в препаратах в состоянии покоя. Как только они оказываются в аквариуме, то происходит их активизация. В воде они распространяются и преобразуют грунт в биофильтр высокой производительности. Другие виды бактерий для аквариума начинают перерабатывать нитриты и аммиак в нитраты. Так достигается высокое качество водной среды.

Концентрированные суспензии весьма эффективно работают в аквариуме, популярными являются препараты брендов:

• Tetra.
• Dennerle.
• Sera.
• Aqua Medic.

Развитие и рост бактерий можно сделать контролируемым процессом, поэтому знания о факторах, влияющих на эти процессы, так важны. И вовсе не нужно быть узконаправленным специалистом, чтобы интересоваться жизнедеятельностью микроорганизмов – их гарантированное присутствие повсюду позволяет грамотно применять имеющуюся информацию в быту.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Бактериальные факторы роста - необходимые для жизнедеятельности бактериальной клетки органические вещества, которые она не способна синтезировать самостоятельно и должна получать в готовом виде. Бактериальные факторы роста - соединения различной химической природы; большинство из них относится к водорастворимым витаминам группы В; функции Б. ф. р. несут также гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и многие аминокислоты. Отсутствие в среде Б. ф. р. приводит к бактериостатическому эффекту - который в ряде случаев сопровождается цитологическими изменениями. Бактериальные факторы роста не служат для микробной клетки пластическими или энергетическими материалами и используются бактериями в ничтожных количествах в неизмененном виде. Некоторые факторы в качестве активных групп (коферментов) входят в структуру различных клеточных энзимов.

К важнейшим бактериальным факторам роста относятся: тиамин (витамин B1) - составная часть некоторых коферментов, играющих важную роль в углеводном обмене; рибофлавин (витамин В2)-участвует в окислительно-восстановительных процессах; пантотеновая кислота - участвует в построении ферментных систем бактериальной клетки, в частности кофермента А; пиридоксин (витамин В6) - производные этого фактора роста играют важную роль в обмене аминокислот; витамин В12 - входит в состав активной группы ферментов, участвующих в реакциях синтеза нуклеотидов; фолиевая кислота - в виде одного из своих производных входит в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот; аминокислоты - служат компонентами клеточных белков; некоторые из них выполняют и биокаталитические функции.

Потребность бактерий в различных бактериальных факторы роста разнообразна: у большинства сапрофитов она сводится к минимуму, тогда как патогенные микробы (возбудители бруцеллеза, дифтерии, туляремии и др.) могут расти только на синтетических средах, содержащих многие аминокислоты и другие вещества.

Азотфикса́ция, или азотофиксация - фиксация молекулярного атмосферного азота, диазотрофия. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Различают три типа азотфиксации:

• Свободноживущими бактериями самых разнообразных таксономических групп.
• Ассоциативная азотфиксация бактериями, находящимися в тесной связи с растениями (в прикорневой зоне или на поверхности листьев) и использующие их выделения (корневые выделения составляют до 30 % продукции фотосинтеза) как источник органического вещества. Азотфиксаторы живут в кишечнике многих животных (жвачные, грызуны, термиты) и человека (род Escherichia).
• Симбиотическая. Наиболее известен симбиоз клубеньковых бактерий (сем. Rhizobiaceae) с бобовыми растениями. Обычно происходит корневое заражение, но известны растения, образующие клубеньки на стеблях и листьях.

Созданы бактериальные удобрения (например, нитрагин) для инокуляции (заражения) штаммами клубеньковых бактерий семян бобовых культур, что увеличивает их урожайность. Также для стимулирования процессов азотфиксации полезно вносить в почву небольшие «стартовые» дозы азотных удобрений, в то время как большие их дозы подавляют процесс.

Бактериальные факторы роста - (синоним: бактериальные витамины, дополнительные питательные вещества, биос) - это необходимые для жизнедеятельности бактериальной клетки органические вещества, которые она не способна синтезировать самостоятельно и должна получать в готовом виде. На существование бактериальных факторов роста впервые обратил внимание Л. Пастер. Бактериальные факторы роста - соединения различной химической природы; большинство из них относится к водорастворимым витаминам группы В; функции бактериальных факторов роста несут также гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и многие аминокислоты. Отсутствие в среде бактериальных факторов роста приводит к бактериостатическому эффекту - бактериостазу (см.), который в ряде случаев сопровождается цитологическими изменениями. Бактериальные факторы роста не служат для микробной клетки пластическими или энергетическими материалами и используются бактериями в ничтожных количествах в неизмененном виде. Некоторые факторы в качестве активных групп (коферментов) входят в структуру различных клеточных энзимов.

К важнейшим бактериальным факторам роста относятся: тиамин (витамин B1) - составная часть некоторых коферментов, играющих важную роль в углеводном обмене; рибофлавин (витамин В2)-участвует в окислительно-восстановительных процессах; пантотеновая кислота - участвует в построении ферментных систем бактериальной клетки, в частности кофермента А; пиридоксин (витамин В6) - производные этого фактора роста играют важную роль в обмене аминокислот; витамин В12 - входит в состав активной группы ферментов, участвующих в реакциях синтеза нуклеотидов; фолиевая кислота - в виде одного из своих производных входит в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот; биотин - участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот; никотиновая кислота (витамин РР) и ее амид- участвуют в синтезе коферментов; парааминобензойная кислота - компонент фолиевой кислоты, по-видимому, выполняет и самостоятельные функции в обмене веществ; гемин - входит в состав некоторых ферментов, участвующих в реакциях окисления; холин - участвует в синтезе клеточных липидов, а также является донатором метильной группы в различных биосинтетических реакциях; пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил) - необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот; аминокислоты - служат компонентами клеточных белков; некоторые из них выполняют и биокаталитические функции.

Потребность бактерий в различных бактериальных факторы роста разнообразна: у большинства сапрофитов она сводится к минимуму, тогда как патогенные микробы (возбудители бруцеллеза, дифтерии, туляремии и др.) могут расти только на синтетических средах, содержащих многие аминокислоты и другие вещества. По отношению к бактериальным факторам роста микроорганизмы подразделяются на ауксотрофы, зависимые от наличия в среде дополнительных питательных веществ, и прототрофы, способные самостоятельно синтезировать необходимые вещества. Потребность данного штамма бактерий в бактериальных факторах роста выявляют путем удаления исследуемого вещества из полноценной синтетической среды, содержащей известные бактериальные факторы роста, с последующим изучением роста и размножения засеянной бактериальной популяции. Исследование потребности микробов в бактериальных факторах роста способствует разработке полноценных питательных сред, необходимых для получения больших количеств микробной биомассы и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, при изготовлении вакцин, сывороток, антибиотиков, витаминов; облегчает изыскание новых химиотерапевтических средств, действующих как антиметаболиты, и т. п. См. также Бактериальная культура.

Для того чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез какого-либо вещества, необходимо соблюдать оптимальные параметры окружающей среды. При неблагоприятных условиях изменяются свойства микроорганизмов, подавляется их жизнедеятельность или происходит гибель. Различают три кардинальные точки , которые определяют развитие микроорганизмов:

- минимум __ жизнедеятельность культуры только начинается;

- максимум __ жизнедеятельность уже прекращается;

- оптимум __ жизнедеятельность проявляется с наибольшей интенсивностью.

На рост и развитие микроорганизмов влияют физические, химические и биологические факторы.

Физические __ температура, влажность среды, концентрация питательных веществ.

Температура . Каждая группа микроорганизмов развивается в определенных температурных пределах. По отношению к оптимальной температуре развития все микроорганизмы делят на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы __ минимальная температура развития от минус 7 до 0 °С; оптимальная 15-20 °С; максимальная 30-35 °С.

Мезофилы __ минимальная температура их развития 5-10 °С; оптимальная 25-35 °С; максимальная 40-50 °С. К этой группе относится большинство используемых в промышленности микроорганизмов, как культурных, так и вредных.

Термофилы __ минимальная температура развития не менее 30 °С; оптимальная 45-60 °С; максимальная 70-80 °С.

Температуры, превышающие максимальные, приводят к гибели микроорганизмов за счет тепловой коагуляции белков клетки и инактивации ферментов. При температуре 70°С большинство вегетативных форм микроорганизмов гибнет за 1-5 мин.

Температуры ниже минимальных гибель микроорганизмов не вызывают, а только приостанавливают их жизнедеятельность.

Влажность среды . Нормальное функционирование клетки (обмен веществ, рост и размножение) возможно только тогда, когда в ней содержится достаточное количество влаги и сама клетка погружена в водную среду с растворенными в ней питательными веществами.

Бактерии развиваются при минимальной влажности субстрата 25-30 %, грибы и дрожжи __ 10-15 %, а иногда и 6-7 %.

При снижении влажности уменьшается интенсивность биохимических реакций и, следовательно, жизненных процессов. От влажности среды зависит устойчивость микроорганизмов к высоким температурам. В среде с повышенной влажностью гибель их происходит быстрее, чем в воздушной среде.

Концентрация питательных веществ . Влияние этого фактора на жизнедеятельность микроорганизмов связано с явлением осмоса.

Осмос __ перенос веществ через полупроницаемую перегородку (в частности, через цитоплазматическую мембрану клетки). Осуществляется благодаря разнице осмотических давлений, которые создаются растворенными веществами, по обе стороны перегородки. Вода движется со стороны меньшего осмотического давления в сторону большего, растворенные вещества __ наоборот. Этим объясняется проникновение вещества в клетку даже при очень малой его концентрации в среде.

Высокие концентрации любых питательных веществ создают высокое осмотическое давление во внешней среде, которое значительно превышает осмотическое давление внутри клетки. Вода при этом выходит из клетки наружу, в результате чего она обезвоживается, протоплазма отделяется от стенки. Это явление называется плазмолиз.

Если среда сильно разбавлена (имеет низкое осмотическое давление), то вода из среды поступает в клетку, она набухает и такое состояние называется плазмоптисом . В конечном счете, клетка может разорваться.

Плазмолиз и плазмоптис при определенных условиях являются обратимыми процессами.

Для обеспечения нормального поступления питательных веществ в клетку, необходимо поддерживать ее в состоянии тургора , когда осмотическое давление в среде чуть меньше осмотического давления внутри клетки. В этом случае вода, проникая в клетку, создает определенное напряжение клеточной оболочки, и протоплазма оказывается прижатой к внутренней стенке.

Содержимое клетки по осмотическому давлению эквивалентно 10-20 %-му раствору сахарозы.

Минимальной для активного обмена веществ является приблизительно 0,5 %-ная концентрация сахара или соли в воде. Некоторые микроорганизмы могут сохранять свою жизнедеятельность в концентрированных растворах (с высоким осмотическим давлением). Такие микроорганизмы называются осмофильными .

К химическим факторам , которые влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся: рН среды, окислительно-восстановительный потенциал (гН 2) и присутствие в среде токсичных веществ.

рН среды . Выражает степень кислотности или щелочности среды. Колебания рН могут вызвать изменение активности ферментов, обмена веществ. Например, в кислой среде дрожжи образуют этиловый спирт, в щелочной - глицерин.

Каждая группа микроорганизмов существует в определенном интервале рН. Дрожжи и плесневые грибы хорошо развиваются в слабокислой среде (рН 4-6), бактерии __ в нейтральной или слабощелочной (рН 6,5-7,5).

Окислительно-восстановительные условия среды . Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для некоторых микроорганизмов он жизненно необходим, для других является ядом. Окислительно-восстановительный потенциал выражается редокс-потенциалом (гН 2) __ _ отрицательным логарифмом концентрации молекулярного водорода, который характеризует степень окисленности (аэробности) или восстановленности (анаэробности) среды. гН 2 лежит в пределах от 0 до 41. В водном растворе, насыщенном кислородом, гН 2 равен 41, а в условиях насыщения водородом гН 2 равен 0.

По отношению к редокс-потенциалу микроорганизмы подразделяют на:

облигатные аэробы - живут только в присутствии кислорода и получают энергию за счет дыхания;

облигатные анаэробы - микроорганизмы, которые растут в среде, лишенной кислорода, так как он для них токсичен. Получают энергию за счет брожения (окислительно-восстановительных процессов, которые протекают без участия кислорода воздуха);

факультативные анаэробы и аэробы могут жить как при доступе, так и в отсутствие кислорода, переходя с дыхания на брожение.

Для облигатных аэробов гН 2 находится в пределах 14-30, для облигатных анаэробов гН 2 __ 0-14, для факультативных анаэробов гН 2 от 0 до 20.

Действие химических веществ . Многие вещества замедляют и подавляют действие микроорганизмов. К ним относятся: спирты, фенолы, альдегиды (особенно формальдегид), нитраты, пестициды, кислоты (бензойная, сернистая, сорбиновая, борная, фтористоводородная), щелочи, соли тяжелых металлов (ртути, меди, серебра), окислители (KМnО 4 ,J,C1, Н 2 О 2), газы (сернистый, диоксид углерода). Эффективность действия их на микроорганизмы зависит от химической природы, применяемой концентрации, условий среды (рН, температуры) и вида микроорганизмов. Как правило, высокие дозы этих веществ оказывают летальное действие, а малые дозы в некоторых случаях могут даже являться стимуляторами роста микроорганизмов.

Симбиоз __ два или более вида организма совместно развиваются лучше, чем по отдельности (например, бобовые растения и клубеньковые бактерии; молочнокислые бактерии и дрожжи в производстве кваса).

Метабиоз __ жизнедеятельность одного организма способствует развитию другого (например, продукты обмена одного микроорганизма являются источником питания для другого).

Антагонизм __ один вид организма угнетает или вызывает гибель другого за счет быстрого размножения или выделения в среду метаболитов (например, антибиотиков, микотоксинов).