Микроорганизмы и важнейшие химические факторы среды обитания

биосферы, возникновение кислорода.
Свойства молекулярного кислорода.
Методы измерения концентрации молекулярного кислорода.
Разнообразные функции кислорода в метаболизме прокариот.
Кислород – важнейший экологический фактор.
Классификация микроорганизмов по отношению к молекулярному кислороду.
Активные формы кислорода, этапы их восстановления в микробной клетке и механизмы защиты клетки.

для химических реакций и МО выражают величиной ее активности aw.
МО могут расти на средах со значениями aw =0,99-0,60.
Большинство МО не может расти при aw ниже 0,95, и не обнаружены Мо, растущие при aw ниже 0,60.
Лучше всех МО при низкой aw растут мицелиальные грибы и дрожжи.

Активность воды

микроорганизмы.

Активности воды (аw) - степень доступности воды для химических реакций и микроорганизмов
аw=Р/Р0=РОВ/100=П2/П1-П2
Р - давления пара жидкости,
Р0 - давление пара дистиллированной воды,
РОВ – равновесная относительная влажность – относительная влажность в состоянии равновесия (при которой продукт не впитывает влагу и не выделяет её в окружающую среду),
П1- число молей растворителя,
П2 – число молей растворённого вещества.

Активность воды

рис. из книги Громова Б.В., Павленко Г.В., «Экология бактерий», 1989 г.

наблюдается в условиях температурного оптимума, при отклонении от которого нижний уровень aw повышается).
Активность чистой воды равна единице.
При взаимодействии воды с поверхностями , анионами и катионами , любыми гидрофильными группами aw становится меньше единицы.
Может изменяться двумя путями:

Матричное изменение – обусловлено адсорбцией молекул воды на поверхностях твердых субстратов

Осмотическое изменение –
происходит в результате взаимодействия
молекул воды с растворенными веществами

воды в клетку цитоплазма должна содержать низкомолекулярные вещества - осмопротекторы (осмолиты) – (это некоторые аминокислоты и их производные, сахара, гетерогликозиды) - и ионы в более высокой концентрации, чем окружающая среда.
Второй распространенной системой осморегуляции в живой природе является система избирательного накопления в клетках ионов К+.

Осморегуляция микроорганизмов

Бетаи́н (от лат. beta — свёкла) — триметильное производное глицина — триметилглицин

служит образование слизистых капсул или переживающих клеток (спор, конидий, цист). Высокую устойчивость на воздухе обнаруживают многие микобактерии с высоким содержанием липидов в клеточной стенке.

Матричное изменение активности воды

осмотического давления, которое, в свою очередь, изменяет водную активность.
Способность МО развиваться в средах с широко варьирующей осмолярностью называют осмотолерантностью.
Осмофильными обычно называют МО, развивающиеся в средах с высокой концентрацией сахара (мицелиальные грибы, дрожжи, спироплазмы).

и обычно чувствительны к 3% концентрации NaCl. Это обитатели ультрапресных вод, многочисленные бактерии, обитающие в пресных почвах, связанные с организмом человека, животных, с растениями.
Галотолерантные МО – выдерживают более высокие концентрации и часто обитают в местах с меняющейся соленостью, например в почве.

Негалофильные и галотолерантные

они растут в узком диапазоне концентраций соли: 2,5 — 5,0% NaСl. Типичными морскими бактериями являются Аlteromonas, Vibrio, Photobacterium.

Морские

Vibrio vulnificus

© http://parasites.czu.cz/food/_data/267.jpg

© http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/kachestvo-vody-pomogut-otsenit-bakterii-biosensory

Photobacterium phosphoreum

водоемах, соленых продуктах. Это представители родов Acinetobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Pseudomonas, Vibrio, Halomonas.
Они нуждаются в ионах Na, K, Mg. Осморегуляция при увеличении концентрации соли в среде осуществляется за счет увеличения концентрации бетаина, а при снижении – увеличение в мембране отрицательно заряженных фосфолипидов.

Умеренные галофилы

Acinetobacter baumannii

©http://www.denniskunkel.com/DK/Bacteria/28830A.html

Alcaligenes viscolactis

© https://microbewiki.kenyon.edu/images/5/5a/42-23598131-1-.jpg

до насыщенных растворов соли. Обитают в гипергалинных водоемах, морских лагунах.
Представители родов Dunaliella(одноклеточная водоросль – осмотроф и в качестве осмолинов накапливает глицерол), Microcoleus, Haloanaerobiales, Наlobacterium, Halococcus, Haloarcula, Ectothiorhodospira halophila, Ect.halochloris, Methanohalophilus, Methanolobus, Desulfovibrio halophilus. Осморегуляция осуществляется за счет изменения концентрации бетаина.

Halococcus salifodinae

© http://www.microbiologyonline.org.uk/about-microbiology/introducing-microbes/archaea

Methanohalophilus mahii

©http://metanogen.biotech.uni.wroc.pl/methanomicrobia/methanosarcinales/methanosarcinaceae/methanohalophilus/methanohalophilus-mahii/

в засоленных водоемах, солеварнях и солончаковых почвах.
Представители: Halobacterium, Hallococcus, Haloarcula.
Особую группу составляют галоалкалифилы, растущие при высоких концентрациях соды и сочетающие в себе свойства экстремальных галофилов и алкалифилов. Типичными их местообитаниями являются высокоминерализованные содовые озера.

Haloarcula californiae

© http://gcat.davidson.edu/mediawiki-1.19.1/index.php/Haloarcula_californiae

Halobacterium spp.

© http://www.denniskunkel.com/detail/15787.html

уже постоянно)
600 млн. лет назад – формирование мира многоклеточных животных
1,5 млрд. лет назад – появление крупных протистов
2,7 млрд. лет назад – у прокариот возникает процесс фотосинтеза.

Роль прокариот в становлении биосферы

http://www.ebio.ru/evo03.html

форма кислорода - триплетная
Высокореакционноспособные формы:
- супероксид-радикал (О2-.),
- пероксид водорода (Н2О2),
- гидроксил-радикал (НО.)

Свойства молекулярного кислорода

поверхности колонии

Методы измерения концентрации кислорода

рис. из книги Громова Б.В., Павленко Г.В., «Экология бактерий», 1989 г.

охарактеризована количественно при помощи окислительно-восстановительного потенциала.
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) выражают символом rH2 это индекс аналогичный рН. Но рН выражает степень кислотности и щелочности, а rH2 –степень аэробности и анаэробности. Это отрицательный логорифм концентрации атомов водорода в среде. В водном растворе, полностью насыщенным кислородоми, rH2 =41, а в условиях полного насыщения среды водородом rH2 =0. Таким образом, шкала от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности.
2) Является субстратом для аэробных микроорганизмов
Аэротаксис - передвижение микроорганизмов к источнику кислорода (положительный аэротаксис) или от него (отрицательный). Положительный аэротаксис свойствен аэробам, отрицательный – анаэробам.

Функции кислорода в метаболизме

и до глубины 10 мм rH2 составлял 20 единиц.
Ниже 10 мм rH2 был равен 14 .
На глубине 13 мм  — 12,5,
при 16 мм. — 9,2,
при 18 мм всего 7,4.
Оказалось, что строгие анаэробы могут развиваться в средах с rH2 не выше 14.
В области rH2 выше 14 находится зона развития аэробов. В промежуточной области могут развиваться микроаэрофильные формы, приспособившиеся к развитию в средах с низкими концентрациями свободного кислорода.

Реакция различных бактерий на кислород

© http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology© http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/2572/Физиологические

и остуженную агаризованную среду, содержащую необходимые субстраты, то после соответствующей инкубации можно наблюдать в застывшем агаре рост колоний в тех зонах столбика, где концентрация кислорода адекватна потребностям данного микроорганизма.

Реакция различных бактерий на кислород

© https://ru.wikipedia.org/wiki/© https://ru.wikipedia.org/wiki/Анаэробные_организмы

аэробами. Они не способны получать энергию путем брожения. Их ферменты осуществляют перенос электронов от окисляемого субстрата к кислороду. К ним относится большинство прокариотных организмов, например, B. subtilis, микрококки и др.

Bacillus subtilis

© http://www.denniskunkel.com/DK/Bacteria/261306D.html

© http://www.micronaut.ch/shop/micrococcus-bacteria/

концентрации О2, равной атмосферной, но могут расти, если содержание О2 в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%).

© http://www.bacteriainphotos.com/campylobacter_jejuni.html

© http://www.micronaut.ch/shop/rhizobium-bacteria/

© http://www.fytoplankton.cz/fytofoto.php?fyto_foto=0041

и в отсутствии кислорода. Типичными представителями этой группы являются кишечная палочка, стрептококк, стафилококк. Кишечная палочка на среде с углеводами развивается как анаэроб, сбраживая сахара, а затем начинает использовать кислород, как типичный аэробный организм, окисляя до СО2 и Н2О образовавшиеся продукты брожения (например, молочную кислоту).

© http://bioweb.uwlax.edu/bio203/s2008/moder_just/

© http://www.gettyimages.com.au/detail/photo/lactobacillus-sp-bacteria-coloured-scanning-high-res-stock-photography/140524942

для них токсичен. Многие ферменты этих бактерий денатурируют при контакте с молекулярным кислородом. Значительное количество представителей анаэробных бактерий относится к роду Clostridium (C. tetani – возбудитель столбняка, C. botulinum – ботулизма, C. perfringens – возбудитель газовой гангрены). Они широко распространены в почве, озерных отложениях. Облигатные анаэробы принадлежат также к родам Methanobacterium, Bacteroides.

©https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/File:SEM_Clostridium_Botulinum.png

© http://www.eurolab.ua/microbiology-virology-immunology/3663/3692/33134/

Clostridium botulinum

Ферментативная детоксикация
Каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы (СОД)
Система ответа на окислительный стресс (ген oxy R)
-каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы,
-белки теплового шока,
-ферменты репарации ДНК

Механизмы защиты

в результате его поглощения клетками при дыхании. Вeggiatoa развиваются в присутствии Н2S, который они окисляют.

В тканях клубеньковых накапливается леггемоглобин – белок родственный гемоглобину, который обладает высоким сродством к молекулярному кислороду и, с одной стороны способствует снабжению бактероидов кислородом, а с другой – препятствует повышению концентрации молекулярного кислорода, что могло бы привести к угнетению активности нитрогеназы.
Клетки азотобактера продуцируют толстый слой слизи, формирующий капсулу клетки, а также выработали особый механизм защиты - дыхательную защиту, осуществляемую путём интенсификации дыхания, снижающего концентрацию кислорода в клетках и присутствие специальных белков, защищающих нитрогеназу.

Rhizobium sp.

Azotobacter vinelandii 

Механизмы защиты

© https://microbewiki.kenyon.edu/images/0/08/Filament.jpg

© http://tursweet.com/r/rhizobium-root-nodules.html

© https://www.jic.ac.uk/SCIENCE/molmicro/Azot.html

2Н+

Н2О2 + О2 (2)

В присутствии фермента супероксиддисмутазы:

Спонтанно дисмутирует:

О2 + е-

О2-·

Супероксидный анион - О2-

2Н2О