Лекция 2 Микроорганизмы и важнейшие физические факторы

Лекция № 2 «Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания» по дисциплине «Экология микроорганизмов» 1

План лекции n Влияние температур на микроорганизмы Температурные оптимумы и пределы толерантности бактерий ¨ Понятие о психрофилах, мезофиллах и термофилах ¨ Молекулярные особенности, определяющие границы температурной толерантности бактерий ¨ n n n Влияние магнитных полей на микроорганизмы. Магнитотаксис Влияние земного тяготения на микроорганизмы Влияние гидростатического давления на микроорганизмы 2

Определение понятий Аутэкология (греч. aut – внешний) – раздел экологии, изучающий действие различных абиотических (физических и химических) факторов среды на организмы. Адаптация (лат. аdaptation - приспособление, прилаживание) – совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и других особенностей данного вида, обеспечивающая возможность специфического образа жизни в определенных условиях внешней среды. Преадаптация (от лат. prae - впереди) – свойство организма, имеющее приспособительную ценность для еще не осуществленных форм взаимодействия его со средой. Специализация (лат. specialis- особый) – развитие особых черт, обеспечивающих приспособление организма к данным условиям существования. Гомеостаз (греч. homoios – подобный, statis - неподвижность) – относительное постоянство состава и свойства внутренней среды организма, поддержание которого зависит от способности биологических систем противостоять изменениям внутренней среды и сохранять относительное постоянство ее состава и свойств. 3

Абиотические факторы Физические и химические; n Действующие постоянно (температура, кислотность среды); n Действующие периодически (могут быть или отсутствовать – излучения и др. ) n 4

Определение понятий График зависимости роста от интенсивности фактора Скорость роста Минимальное значение Область толерантности Максимальное значение Оптимальное значение Гибель Интенсивность фактора Стено- и эврибионтные организмы (узкая и широкая область толерантности) Облигатные - организмы, которые ограничиваются каким-либо одним характерным для них способом существования. Факультативные - организмы, не ограничивающиеся каким-либо одним способом существования. -фильные и -толерантные 5

Влияние температур, температурные оптимумы и пределы толерантности В некоторых пределах зависимость скорости роста от температуры определяется уравнением Аррениуса: log µ = - △E/e 2, 303 RT+C, где µ - константа скорости роста данной бактерии; Е – энергия активации, определяемая в нашем случае как температурная характеристика бактерии; Т – абсолютная температура; С – постоянная, отражающая влияние на скорость роста других факторов; R – газовая постоянная. 6

Особенности термотолерантности Для сохранения относительно нормального уровня жизнедеятельности при изменении температуры организмы используют: n регуляцию биохимических процессов путем ускорения или замедления работы ферментов, n усиления или ослабления их синтеза, n изменение свойств биологических макромолекул, n пуск в ход процессов, вырабатывающих или поглощающих тепло, n теплоизоляцию, n уход от мест с неблагоприятным температурным режимом и т. д. n переход к состоянию более или менее скрытой жизни. 7

Влияние температур, температурные оптимумы и пределы толерантности По отношению к температуре бактерии делят на три группы: психрофилы (гр. psychria — холод, phileo — люблю), относительно быстро размножающиеся при температуре О °С; термофилы (гр. therme - жара, тепло), растущие при температуре выше 45— 500 С, мезофилы (гр. mesos — средний, промежуточный), развивающиеся в диапазоне умеренных температур. 8

Отношение микроорганизмов к температуре n Мезофилы предпочитают средние температуры. Оптимальная температура их развития 25— 40 °С, максимальная — 45— 50 °С и минимальная — 5— 10 °С. Мезофилы — наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов, обитающих в воде, воздухе, почве, в живых организмах. Мезофилами являются представители дрожжей, мицелиальных грибов, молочнокислых бактерий, кишечной группы бактерий (стафилококки, фекальные стрептококки) и многие другие. Возбудителями порчи пищевых продуктов, пищевых отравлений и заболеваний в основном являются мезофилы. 9

Мезофилы Типичным мезофилом является E. Coli: нижняя граница роста + 10 °С, верхняя + 37 °С при росте на богатой среде. n 10

Отношение микроорганизмов к температуре Облигатные или истинные психрофилы холодолюбивые микроорганизмы. Оптимальная температура их развития от 10 до 15°С, максимальная не выше 20 °С и минимальная — от минус 10 до 0°С. n Психрофилы формируют постоянную естественную микрофлору регионов вечного холода. Психрофилы — это в основном обитатели холодных источников, северных морей, почв и микроорганизмы, развивающиеся в холодильниках, на охлажденных продуктах и вызывающие их порчу. К ним относятся многие светящиеся морские бактерии. (Представители родов Aerobacter, Aeromonas, Alcaligenes, Asotobacter, Bacillus, Corinebacterium, Nitrobacter, Nitrosomonas, Nicrobacter, Proteus, Streptococcus и др. ) 11

Особенности метаболизма психрофилов: Ø Cнижаются питательные потребности бактерий, расширяется круг потребляемых субстратов, бактерии не нуждаются в добавочных факторах роста, что позволяют им длительно размножаться в окружающей среде при низкой температуре. Ø Ферменты имеют низкие температурные оптимумы активности и обладают термолабильностью – разрушаются при более высоких температурах. Установлено, что это аминоацилсинтетазы. Ø В целом белки содержат больше полярных групп, чем гидрофобных, Ø Повышенное содержание ненасыщенных кислот в ЦПМ, уменьшение длины цепи, появлением ненасыщенных связей циклопропановых групп, а также ветвление цепи. 12

Отношение микроорганизмов к температуре Психротрофы растут при 0°С, но температурный оптимум их развития составляет 25— 30 °С и максимум около 35 °С, их называют иногда факультативными психрофилами. Психротрофы более широко распространены, чем облигатные психрофилы. (Представители родов Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Chromobacterium, Flavobacterium и др. ) n 13

Отношение микроорганизмов к температуре n Термофилы — теплолюбивые микроорганизмы. Оптимальная температура их развития 50— 60°С, максимальная — 70— 80 °С, минимальная — около 30 °С. Термофилы довольно широко распространены в природе. Они могут обитать в горячих источниках, в почвах и водоемах жарких стран, в песках пустынь, в кишечнике человека и животных, так как большинство термофилов образуют устойчивые споры. q q Термогенез Термоустойчивость 14

Классификация термофилов по М. В. Гусеву В зависимости от значения кардинальных температур среди термофильных бактерий различают: n Термотолерантные растут в пределах от 10 до 50 – 60 °С, оптимальная область находится при 35 – 40 °С. Основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах, хотя оптимальные температуры роста для обеих групп находятся на одном уровне). 15

Классификация термофилов по М. В. Гусеву Факультативные термофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 60 °С, но способны также к размножению при комнатной температуре (20 °С); оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста. Особенность этой группы прокариот – способность к росту в области 20 – 40 °С. n 16

Классификация термофилов по М. В. Гусеву К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температурах около 70 °С и не растущие ниже 40 °С. Оптимальная температурная область облигатных термофилов примыкает к их верхней температурной границе роста. Представители этой подгруппы: эубактерии Bacillus acidocaldarius, Synechococcus lividus, архебактерии Methanobacterium thermoautotrophicum, Thermoplasma acidophilum и др. n 17

Классификация термофилов по М. В. Гусеву Для экстремальных термофилов характерны следующие температурные параметры: оптимум в области 80 – 105 °С, минимальная граница роста 60 °С и выше, максимальная – до 110 °С. К экстремальным термофилам относятся организмы из группы архебактерий (представители родов Thermoproteus, Pyrococcus, Pyrodictiumи др. ). n 18

Термофилы. Термогенез и термоустойчивость Некоторые термофильные бактерии, для которых характерны не слишком высокие значения оптимальной и максимальной температуры, в своем распространении не связаны с каким-либо субстратом, имеющим постоянно высокую температуру. n Lactobacillus - температурный максимум от 50 до 53 °С. n Термофильные бактерии связанные в своем развитии с саморазогревающимися органическими субстратами. Это может быть влажное сено, торф, хлопок, зерно, табак, а также навоз, компосты, прелые листья, силос. n Широко распространены Bacillus stearothermofillus (оптимум роста при 50— 65), Clostridium thermocellum растущие при температуре от 45 до 70°С). n Среди метанобразующих бактерий имеются термофилы и крайние термофилы Methanobacterium ruminantium (52— 53°С). n В горячих источниках развиваются термофильные эу- и архебактерии, , аэробные и анаэробные, фототрофные, хемолитотрофные и гетеротрофные бактерии. n 19

Пастеризация и стерилизация Пастеризацией, или частичной стерилизацией, называется процесс уничтожения вегетативных клеток бактерий и неспоровых форм путем нагревания до 50— 60°С в течение 15— 30 мин или до 70— 80 °С в течение 5— 10 мин. При пастеризации споры бактерий и некоторые термофильные бактерии не погибают. Пастеризацию применяют для сохранения молока, вина, пива, икры осетровых рыб, фруктовых соков. n Стерилизацией называется процесс полного уничтожения микроорганизмов, в том числе и спорообразующих, под действием высоких температур. Стерилизация бывает двух видов — влажная и сухая. n Влажная стерилизация осуществляется нагретым паром под давлением 0, 05 — 0, 1 МПа в специальных приборах — автоклавах — при температуре 112— 120°С в течение 20— 60 мин, Ø Сухая — в сушильных шкафах сухим горячим воздухом при температуре 160— 170 °С в течение 1, 5— 2 ч. Процесс стерилизации используют в консервном производстве, медицине и в микробиологических лабораториях приготовлении питательных сред, стерильной посуды и инструментов. Ø 20

Повышение температуры вызывает: Ø увеличение степени текучести липидного бислоя мембраны, который в конце концов может стать проницаемым для ионов; возникающая при таком состоянии мембраны утечка ионов приводит к понижению эффективности ионного гомеостаза и преобразованиям энергии. Ø возрастание активности ферментных систем (в два раза при повышении температуры на 10 градусов). В конечном итоге подъем температуры ведет к денатурации белка и потере ферментной активности. 21

Молекулярные особенности термотолерантности Биомакромолекулы Психрофилы Термофилы Липиды Ненасыщенные, цитоплазмаразветвленные, тической мембраны менее 14 атомов углерода Насыщенные, неразветвленные, 17 -19 атомов углерода Белки Низкое количество S-S связей, содержат больше полярных групп Высокое количество S-S связей Нуклеиновые кислоты Преобладают АТпары Преобладают GCпары 22

Особенности метаболизма термофилов: Ø Температура плавления мембранных липидов возрастает при повышенном содержании насыщенных кислот в цитоплазматических мембранах. Эти кислоты характеризуются также более длинной (1719 атомов углерода) и неразветвленной цепью. Ø Присутствуют специальные белки-шапероны, способствующие формированию термостабильной третичной структуры белков. Ø Белки термофилов гораздо устойчивее к нагреванию в сравнении с соответствующими белками мезофильных организмов, вследствие усиления внутримолекулярных взаимодействий и замене отдельных аминокислот. Ø Для некоторых термофилов характерно присутствие в клетках специфических полиаминов. Спермин, спермидин и путресцин стабилизируют ДНК B. Stearothermophillus в условиях высоких температур; термин и термоспермин стабилизируют аппарат синтеза белка у Thermus. Ø Суперспирализация ДНК под действием специфического фермента – обратной гиразы, а также содержится повышенное количество гуанина и цитозина, присутствуют полиамины, способствующие стабилизации ДНК. 23

Белки теплового шока В ответ на тепловой шок при повышении температуры до верхнего предела диапазона роста временно в 10 -50 раз повышается уровень экспрессии отдельных белков, называемых белками теплового шока. 24

Понятие о психрофилах, мезофилах и термофилах Температурные границы и оптимальные зоны роста прокариот и основнная на этом и классификация I. Психрофилы: 1 - облигатные, 2 – факультативные. II. Мезофилы. III. Термофилы. 3 – термотолерантные, 4 – факультативные, 5 – облигатные, 6 – экстремальные. Жирной линией выделены оптимальные температуры роста 25

Группа Температура роста, °С Минимальная Оптимальная Максимальная Психрофилы Мезофилы Термофилы 26

Влияние магнитных полей Все живые организмы находятся в области магнитного поля Земли (25 -50 А/м). Воздействие дополнительными более мощными полями иногда приводит к стимуляции их роста. Так, воздействие магнитным полем напряженностью в 12 · 103 А/м приводило к некоторому ускорению роста Pseudomonas aeriginosa, Staphilococcus epidermidis, Halobacterium salinarium. В магнитном поле напряженностью в 24 · 103 или 50 · 103 А/м наблюдали их угнетение. Замедление роста Micrococcus denitrificans наблюдали при 40 · - 64 · 104 А/м, Staphilococcus aureus и Serratia marcescens – при 120 · 104 А/м. 104 Действие переменных магнитных полей обычно более эффективно, чем постоянных. В естественной среде обитания бактерий магнитные поля такой напряженности не встречаются. 27

Магнитобактерии Магнитотаксис - способность регулировать направление своего движения в соответствии направлением силовых линий магнитного поля. с К магнитобактериям относится Aquaspirillum magnetotacticum. Магнитобактерии обитают в морских маршах, заболоченных пресноводных водоемах, окислительных прудах для очистки сточных вод, т. е. в водоемах с малоподвижной водой. Магнитосомы - кубические или октаэдрические кристаллы магнетита (Fe 3 O 4). У спирилл по длинной оси клетки расположено около 22 кристаллов с гранями порядка 50 нм длиной. Содержание железа в клетках довольно велико, до 3, 8%, тогда как у обычных бактерий – не более 0, 025%. 28

Магнитобактерии Магнитобактерия Цепочки магнитосом в живых клетках Отдельная магнитосома 29

Влияние земного тяготения Ø Теоретически невесомость на микроорганизмы может влиять через перераспределение внутриклеточных частиц или в результате изменения взаимодействия между клетками популяции в жидкой среде. Ø Заметно влияние только для клеток, размеры которых превышают 10 мкм. Невесомость может влиять на бактерии изменяя лишь скорость их осаждения. Ø Не обнаружен геотаксис, т. е. способность различать верх и низ, которой обладают некоторые одноклеточные эукариоты. Ø Молекулярные взаимодействия, связанные с тепловым движением молекул, действуют на бактерию эффективнее, чем сила земного притяжения. 30

Влияние гидростатического давления К атмосферному давлению бактерии, а особенно споры, очень устойчивы. Ряд бактерий (баро-/пьезотолерантные) хорошо переносят как обычное атмосферное давление ( 1 атм. ), так и повышенное (500 -600 атм. ). Пьезофилы лучше развиваются при давлении выше обычного, а при снижении давления замедляют свою скорость роста. Облигатные пьезофилы не растут при обычном давлении. Экстремально пьезотолерантные давлении больше 600 атм. хорошо растут при Механизм влияния давления на метаболическую активность не выяснен, однако, оно непосредственно влияет на липидный состав мембран и белковый состав клеток. Баротолерантные + барофильные = психрофилия Сочетанное действие повышенных температур и повышенного давления используется в паровых стерилизаторах для стерилизации паром под давлением. 31