Сообщества микроорганизмов в естественной среде

     Существуют организмы, способные  жить лишь при очень высоких  концентрациях солей (NaCl). Это галофильные, т.е. «любящие» высокую концентрацию солей, организмы (от лат. halo – соль). Они представлены двумя основными типами: умеренными галофилами, которые развиваются при содержании соли 1-2%, хорошо растут в среде с 10% соли, но выносят даже 20%-ную её концентрацию (большинство бактерий не переносят концентрации NaCl выше 5%, и экстремально галофильными  архебактериями родов Halobacterium и Halococcus, которые требуют содержания 12-15% солей и способны хорошо расти в насыщенном 32%-ном растворе NaCl. Галлофилы обнаружены среди различных групп микроорганизмов (прокариот и эукариот).

     В условиях недостатка воды  некоторые микроорганизмы обволакиваются  гидрофильными слизистыми капсулами,  которые активно поглощают влагу.  Бактерии, обитающие на корнях  пустынных растений, выделяют такие значительные количества гигроскопической слизи, что обеспечивают водой не только самих себя, но и растения.

     Снижение водного потенциала  обусловливает подавление в почве  таких важных процессов, как  нитрификация и симбиотическая  азотфиксация.

     При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. В целом ряде высушенных пищевых продуктов (рыба, мясо, фрукты и др.) хотя и сохраняется много живых организмов, но развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов.

     2.2 Температурный  режим

     Микроорганизмы лишены механизмов, регулирующих температуру тела, поэтому их существование определяется  температурой окружающей среды.  При высоких значениях температуры  белки, нуклеиновые кислоты и другие составные части клетки бактерии могут необратимо инактивироваться, что обусловливает гибель организма. При очень низкой температуре также нарушаются процессы биосинтеза и рост бактерий прекращается.

      Для каждого микроорганизма существует минимальная температура, ниже которой рост его не наблюдается, оптимальная – при которой микроорганизм растёт с наибольшей скоростью и максимальная – выше которой роста не происходит. Данные три температурные точки называют кардинальными. 

     По отношению к температуре  микроорганизмы можно подразделить  на три группы: психрофилы и  психротрофы (от греч. psychria – холод, phileo – люблю, trophe – питание), достаточно быстро развивающиеся  при 0 С, мезофилы (от греч. mesos – средний, промежуточный), растущие в пределах умеренных температур, и термофилы (от греч. therme – тепло), развивающиеся при температуре выше 45-50 С.

     К облигатным, или истинным, психрофилам относят микроорганизмы, оптимальная температура развития которых составляет 15 С или ниже, а максимальная не превышает 20 С. Эти микробы распространены только в местах с постоянно низкой температурой. Они формируют естественный микробоценоз регионов вечного холода. В подобных условиях жизнь мезофилов исключена.

     Психрофильные бактерии распространены в арктических районах земного шара, где их обнаруживают в пробах из почв, вечных снегов высокогорных районов, горных ледников, морен, наносов холодных пещер, в воде колодцев и родников. В 1г почвы Антарктиды содержатся сотни и даже тысячи клеток микроорганизмов. Естественной средой обитания психрофильных бактерий служат океаны (средняя температура у поверхности воды 5 С, около дна 1-2 С), где микроорганизмы могут обитать независимо друг от друга либо входить в состав микробного ценоза морских животных и растений. Среди психрофилов есть формы, вызывающие заболевания рыб и морских растений.

     Психротрофные, или психроактивные  организмы развиваются при 0 С,  однако их температурный оптимум  выше, чем у психрофилов, и составляет 25-30 С, максимум около 35 С. Микроорганизмы данной подгруппы иногда называют факультативными психрофилами; их довольно часто обнаруживают в почве и воде не только в условиях холодного, но и умеренного климата. Психротрофы могут развиваться в пищевых продуктах, которые хранятся при низких температурах.

Например, в  молоке обитают психротрофы, относящиеся  к родам Pseudomonas, Alcaligenes, Chromobacterium, Flavobacterium. В мясе при температуре хранения ниже 0 С размножаются психроактивные псевдомонады, грамположительные бактерии и даже патогенные или токсикогенные виды, в том числе Clostridium botulinum типа Е.

     Согласно современным представлениям, психрофилы способны развиваться  при низкой температуре благодаря  следующим особенностям:

• клетки психрофилов содержат ферменты, имеющие низкую температуру активации и в связи с этим способные наиболее эффективно функционировать при низкой температуре; при температуре выше 30 С данные ферменты прекращают свою деятельность;
• несмотря на низкую температуру, проницаемость мембран психрофилов остаётся высокой в связи с большим количеством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в липидах, в результате  мембраны не замерзают;
• свойство образовывать полисомы психрофилы не утрачивают при низкой температуре.

     Температурный оптимум для мезофилов составляет 30-45 С,      минимум – 10-15 С. В указанную группу входит большинство микроорганизмов, в том числе болезнетворные. Для бактерий, патогенных для человека и теплокровных животных, температурный оптимум около 37 С.

    Термофилы – теплолюбивые микроорганизмы, развиваются в зонах высоких температур (выше 45-50 С). Термофильные микроорганизмы подразделяются на облигатные, факультативные, термотолерантные, а также экстремально термофильные и гипертермофильные. Облигатные термофилы имеют температурный оптимум 65-70 С, минимальная температура, при которой возможен их рост, - 40-42 С; факультативные термофилы имеют температурный максимум 50-60 С, минимум – менее 20 С; термотолерантные - температурный максимум 45-50 С, наконец, экстремально термофильные могут существовать при температурах от 60 до 93 С и выше. Среди гипертермофилов следует отметить ряд архебактерий. Так, архебактерии Pyrodictium occultum и P. brockii развиваются при температуре 105 С, но выдерживают и 110 С.

     Возможность существования термофилов при высокой температуре обусловлена следующими особенностями:

• составом липидных компонентов клеточных мембран, а именно высоким содержанием длинноцепочечных насыщенных жирных кислот с разветвлёнными цепями;
• высокой термостабильностью белков и ферментов (последние имеют низкую молекулярную массу и содержат значительное количество ионов кальция);
• термостабильностью клеточных ультраструктур.

     Термофильные  бактерии широко распространены  в природе.

Постоянное место  их обитания – термальные (горячие) источники. В таких источниках могут развиваться термофильные эубактерии и архебактерии, аэробные и анаэробные, фототрофные, хемолитоавтотрофные и гетеротрофные микроорганизмы. В термальных источниках с температурой 45-50 С наблюдается развитие разнообразных цианобактерий.

     Термофилы  принимают непосредственное участие  в саморазогревании навоза, компостов,  сена, зерна и т.д. В последние  годы данную группу микроорганизмов  широко используют в биотехнологической  промышленности для получения витаминов, ферментов, молочной кислоты, кормового белка и других ценных для сельского хозяйства и медицины веществ. Термофильные формы имеются не только среди бактерий, но и среди водорослей, грибов и простейших.

     2.3 Кислотность среды

     Кислотность среды, в которой обитают микроорганизмы, оказывает на них большое влияние. Это один из наиболее важных факторов, определяющих рост и размножение микроорганизмов, так как он действует на организм непосредственно или косвенно через ионное состояние и доступность многих ионов и метаболитов, стабильность макромолекул. Значения реакции среды определяют состояние веществ в окружающей среде.

     Для  большинства микроорганизмов оптимальны  значения реакции среды около  pH 7. Очень кислая или очень щелочная реакции обычно токсичны для бактерий. Предельные её значения, выше и ниже которых известные в настоящее время микроорганизмы прекращают рост и размножение, приблизительно равны рН 1 и рН 11. При рН 1 могут существовать лишь немногие бактерии и грибы, при рН 11 – отдельные виды водорослей, грибов и бактерий.

     По  отношению к кислотности среды  микроорганизмы разделяют на  ряд групп. Для роста большей  части прокариот оптимальна среда,  близкая к нейтральной. Данные  организмы носят название нейтрофилов. Большинство нейтрофилов развиваются в диапазоне значений рН 4-9. Среди нейтрофилов много представителей, обладающих кислото- и щелочеустойчивостью, т.е. толерантностью. Кислототолерантными являются молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые и другие микроорганизмы, а щелочетолерантными, устойчивыми к рН 9-10, - энтеробактерии и др.

     Существуют  бактерии, для которых предпочтительна  щелочная реакция среды (рН 10 и  выше). Такие организмы называют  алкалофильными. Известны также виды бактерий, способные развиваться в очень кислой среде ( рН 3 и менее); это ацидофильные микроорганизмы. Среди бактерий данных групп есть облигатные формы, неспособные развиваться в нейтральной среде, и факультативные, проявляющие такую способность.

     Известны  микроорганизмы, которые растут при экстремальных значениях реакции среды. Например, представитель облигатных экстремальных ацидофилов Thiobacillus thiooxidans может развиваться при рН 0,5-6,0 (оптимум 2,0-3,5).

     Среди  бактерий обнаружено несколько  видов, устойчивых к щелочной среде (рН 8,5 и выше). Сюда следует отнести Bacillus pasteurii– бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при реакции среды, близкой к рН 11. B. alcalophilus, выделенная из сточной воды, способна расти в диапазоне рН 9-11,5.

     Считают,  что способность микроорганизмов к росту при низких или высоких значениях реакции среды обеспечивает им определённые преимущества в конкурентной борьбе с большинством организмов.

     2.4 Присутствие молекулярного  кислорода в среде

     Молекулярный  кислород – важный экологический фактор. Его содержание в атмосфере составляет 21%. По отношению к молекулярному кислороду все микроорганизмы можно разбить на ряд групп. Микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для жизни, получили название облигатных (строгих) аэробов. В эту группу входит большая часть бактерий и грибов.

     Среди  аэробов есть микроорганизмы, которые  потребляют кислород, но хорошо  растут только при содержании  его в значительно меньшей  концентрации, чем в воздухе. Подобные  организмы называют микроаэрофилами.

     Широкое  распространение микроаэрофильных  бактерий можно объяснить тем,  что в почвах, водоёмах и других  природных средах содержание  молекулярного кислорода существенно  ниже, чем в атмосфере.

     Некоторые  микроорганизмы совсем не используют  кислород. Их называют анаэробами. Они бывают двух типов: облигатные анаэробы – для них кислород токсичен и аэротолерантные анаэробы – не погибающие при контакте с кислородом.

     Существуют  факультативные анаэробы – микроорганизмы, способные переключаться с аэробного на анаэробный тип метаболизма, например, некоторые кишечные бактерии, представители рода Serratia и др.

     2.5 Излучения

     Прямой  солнечный свет убивает почти  все виды бактерий, за исключением  пурпурных и фотобактерий. Под  действием прямых солнечных лучей бактерии гибнут за несколько минут или часов.

     Биологическое  действие солнечного света на  микробы обусловлено находящимися  в нём ультрафиолетовыми лучами. После проникновения в клетку  они, адсорбируясь жизненно важными  частями, белками и нуклеиновыми кислотами, вызывают фотохимические и окислительные процессы, губительно действующие на микроорганизмы. Ультрафиолетовые лучи убивают через несколько минут и вегетативные формы и споры.

      Свет – фактор, необходимый для  роста фотосинтезирующих микроорганизмов, например, цианобактерий, зелёных и пурпурных бактерий, которые имеют пигменты, обеспечивающие возможность поглощать энергию светового луча и превращать её в химическую.

Для большинства  других бактерий радиация, видимая  и невидимая, как правило, является бесполезной или даже вредной.