Влияние физических и химических факторов на прокариоты

УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

Тема: «Влияние физических и химических факторов на прокариоты» 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка 

группы  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011

Оглавление 

       Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

       Влияние рН

       Температура

       Гидростатическое  давление

       Осмотическое  давление

       Отношение к молекулярному кислороду

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Влияние факторов внешней  среды на микроорганизмы

       Совокупность  физико-химических условий окружающей среды составляют абиотические факторы. Жизнедеятельность любого организма  возможна в определенном интервале  значений каждого фактора. Этот интервал, крайние значения которого являются пределами толерантности организма, условно делят на три области. Зоной лимитирования называют область, в которой низкие значения фактора ограничивают жизнедеятельность. Оптимальная зона – это область значений, в которой жизненные показатели организма наилучшие и практически не меняются. Область избыточных значений фактора, где жизнедеятельность организма подавляется, носит название зоны ингибирования.

       Обычными, или нормальными считают повсеместно  распространенные условия существования. Условия, отличающиеся от нормальных крайними значениями одного или нескольких факторов, называют экстремальными, а организмы, живущие в таких условиях, - экстремофилами.

       Микроорганизмы распространены повсеместно, поэтому условия их жизни чрезвычайно разнообразны. Некоторые из них способны существовать в широких пределах различных факторов, в том числе и там, где другие организмы существовать не могут. Основными абиотическими факторами для микроорганизмов являются активность воды, рН, температура, гидростатическое и осмотическое давление, излучения, наличие кислорода. Группы микроорганизмов, характеризующиеся широкими пределами толерантности, широко распространены и способны переносить значительные колебания фактора. В то же время, есть виды, приспособившиеся в процессе эволюции к существованию в специфических местообитаниях. Это высокоспециализированные группы микроорганизмов, для которых характерны узкие интервалы изменения фактора. Следует помнить, что в природе микроорганизмы испытывают на себе влияние не одного, а множества факторов сразу, поэтому необходимо учитывать их взаимодействие друг с другом.

       С другой стороны, действие химических и  физических факторов может вызывать торможение метаболизма либо приводить клетки микроорганизмов к гибели. В зависимости от этого все физические и химические факторы подразделяют на микробостатические и микробоцидные. Факторы внешней среды, полностью или частично угнетающие рост и задерживающие развитие микроорганизмов, относят к микробостатическим. Микробоцидные факторы вызывают гибель микроорганизмов. В зависимости от концентрации или дозы действующего агента, продолжительности контакта и вида микроорганизма один и тот же фактор может оказывать как микробостатическое, так и микробоцидное действие.

       Влияние рН

       Концентрация  ионов водорода во внешней среде влияет и на равновесие электрических зарядов на поверхности клетки: при низких значениях рН увеличивается суммарный положительный заряд, при высоких - суммарный отрицательный заряд. Кроме того, в кислой среде разрушаются ДНК и АТФ, а в щелочной — РНК и фосфолипиды.

       В зависимости от отношении к кислотности среды бактерии могут быть разделены на несколько групп:

       1) нейтрофилы —оптимальное значение рН для роста составляет 6-8, а рост возможен, как правило, в диапазоне от 4 до 9. К этой группе относится большинство известных микроорганизмов. Типичными нейтрофилами являются штаммы бактерий Escherichia coli, Bacillus megaterium, Streptococcus faecalis и др.

       Escherichia coli             Bacillus megaterium             Streptococcus faecalis

       2) ацидофилы— оптимальная кислотность среды для роста ниже 4 единиц рН. Среды них различают факультативные (интервал рН  1-9, оптимум 2-4) и облигатные ацидофилы (интервал рН 1-5, оптимум 2-4). В природе экстремально кислые условия встречаются в некоторых озерах, болотах, горячих источниках. Типичными представителями облигатных ацидофилов служат бактерии родов Thiobacillus, Sulfolobus, Acetobacter и др.;

        3) алкалофилы — оптимальные условия для развития находятся в пределах значении рН 9,0-10,5, которые встречаются в щелочных почвах, в местах скопления экскрементов животных. Среды алкалофилов различают факультативные алкалофилы (интервал рН для роста 5-11, оптимум рН 9,0-10,5), к которым относятся нитратвосстанавливающие и сульфатвосстанавливающие бактерии, многие аммонификаторы. Облигатные алкалофилы растут при высоких значениях рН — 8,5-11,0, при оптимуме 9,0-10,5. К таким бактериям относятся Ваcillus pasteurii, некоторые цианобактерии и др.  
 
 
 

                                            Ваcillus pasteurii

       Однако  следует отметить, что хотя микроорганизмы и могут осуществлять процессы жизнедеятельности в условиях различной кислотности илы щелочности среды, реакция внутри их клеток поддерживается всегда близкой к нейтральной. Это достигается благодаря наличию в цитоплазме буферных систем и низкой полупроницаемости мембраны для ионов водорода.

       Способность к росту при низких или высоких значения рН обеспечивает микроорганизму определенные преимущества, так как в этих условиях мала конкуренция со стороны большинства других организмов.

       рН-Толерантные  микроорганизмы могут в определенных пределах изменять рН среды, образуя  кислые или щелочные продукты. Например, E. coli реагирует на повышение кислотности синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в результате амины подщелачивают среду. Наоборот, повышение рН среды стимулирует синтез дезаминаз аминокислот, что ведет к подкислению среды. Ярким примером регулирования рН среды бактериями является двухфазный процесс маслянокислого и ацетонобутилового брожения.

       Большинство симбионтов человеческого организма  и возбудителей заболеваний хорошо растут при слабощелочной, нейтральной  или слабокислой реакции. Для  вибрионов, в том числе для  возбудителя холеры, оптимальная  величина рН 9-10. При культивировании микроорганизмов на питательных средах специально поддерживается оптимальная для конкретного вида величина рН. В процессе размножения обычно происходит сдвиг рН в сторону кислой среды (реже наоборот), затем рост приостанавливается, при дальнейшем однонаправленном изменении реакции среды наступает гибель микроорганизмов.

       Разные  виды микроорганизмов могут расти  только в определенных пределах концентрации водородных ионов.

Температура

       Все физико-химические процессы, обеспечивающие функциональную активность клетки, а также состояние ее макромолекул, в большей или меньшей степени зависят от температуры. При высокой температуре белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты клетки могут необратимо инактивироваться, что приводит к ее гибели. При слишком низкой температуре также нарушаются процессы биосинтеза, ограничивая развитие микроорганизмов.

       По  отношению к темпeратуре бактерии делят на три основные группы: мезофиллы, психрофилы и термофилы, которые в свою очередь подразделяют на отдельные подгруппы.

       Большинство известных видов прокариот относится к мезофилам, для них оптимальные температуры роста лежат в пределах 20-42 ^оС. Типичным представителем мезофилов является Е. соli, оптимальная температура роста которой 37 ^оС.

       Микроорганизмы, способные нормально расти при низких (0-20 °С) температурах, называют психрофильными. Психрофильные бактерии делятся на облигатные и факультативные. Основное различие между ними заключается в том, что облигатные психрофилы не способны к росту при температуре выше 20°С, а верхняя температурная граница роста факультативных психрофилов намного выше. Облигатные психрофилы -узкоспециализированные микроорганизмы, обитающие в постоянно холодной среде; их температурный оптимум ниже 15 °С, максимум - около 20 °С; при 30 °С они отмирают. Облигатные психрофилы обитают в холодных почвах, морях Арктики и Антарктики, на вечных снегах высокогорных районов. Эти бактерии играют существенную роль в круговороте веществ в регионах с постоянно низкими температурами. В качестве представителей облигатных психрофилов можно привести бактерии Bacillus рsусhrophilas, морские светящиеся бактерии, железобактерии (например, рода Gallionella) и др.

       Факультативные психрофилы распространены значительно шире и встречаются в почках и водах не только холодном, но и умеренной зоны. Многие из них вызывают порчу пищевых продуктов при низких температурах. Оптимум для роста факультативных облигатные психрофилов соответствует 25-30 °С, т. с. они способны расти в условиях, благоприятных для мезофильных организмов. К этой группе относятся некоторые виды бактерий родов Pseudomonas, Arthrobacter и др.

       Способность психрофилов развиваться при низкой температуре связывают с особенностями строения их клеток:

• температурный оптимум активности ферментов у них ниже, чем у аналогичных ферментов мезофильных микроорганизмов. При отклонении температуры от оптимальной активность большинства ферментов психрофилов значительно быстрее падает при повышении температуры, чем при ее понижении. Тем не менее некоторые ферменты психрофилов при повышении температуры усиливают свою активность. Это ферменты, вызывающие деградацию или разрушение клеточных макромолекул, что может быть одной из причин термочувствительности облигатных психрофилов;
• проницаемость их мембран остается высокой при охлаждении благодаря содержанию в липидах ненасыщенных жирных кислот, вследствие чего мембраны не застывают и остаются полужидкими;
• белоксинтезирующий аппарат психрофилов способен функционировать при низких температурах.

       К термофильным относят микроорганизмы, которые растут при температуре выше 45-50 °С. Группу термофилов делят на четыре подгруппы:

        1) термотолерантные - растут при температуре от 10 до 55-60 ^оС, оптимальная область находится в пределах 35-40 °С (как у мезофилов). Основное их отличие от мезофилов - способность расти при повышенных температурах. Примером термотолерантных бактерий являются бактерии вида Methylococcus capsulatus;  
 
 
 

                                          Methylococcus capsulatus

       2) факультативные термофилы имеют температурный максимум 50-65 °С и минимум менее 20 °С, оптимум приходится на область температур, близких и верхней границе роста. Примером факультативных термофилов являются гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Lactobacillus. Они обитают на поверхности многих растений, откуда попадают в различные продукты - их легко обнаружить в молочных продуктах, солениях, маринадах, вине, фруктовых соках.

       3) облигатные термофилы способны расти при температурах до 70 °С и не растут при температуре ниже 40 °С. Оптимальная температурная область облигатных термофилов примыкает и ив верхней температурной границе роста (65-70 °С). Представители облигатных термофилов - бактерии вида Bacillus sterothermophilus и др.;

       Физиологическая активность микроорганизмов в значительной степени определяется температурой окружающей среды. Для каждого микроорганизма обычно указывают минимальную, оптимальную  и максимальную температуры роста. Нижние пределы роста по температуре  ограничены температурой «застывания» мембраны, когда она теряет свои функции, а верхние – тепловой денатурацией жизненно важных молекул. К низкотемпературным местам обитания относятся регионы Арктики, Антарктики, тундра, глубины океанов, где температура  имеет постоянное значение около +4^оС. Высокая температура поддерживается в гейзерах, вулканических источниках, на выходах вулканических горячих газов из разломов земной коры в глубинах океанов, где температура при высоком давлении может достигать +360^оС. Существуют и искусственно созданные, экстремальные по температуре места обитания (морозильные камеры, ферментеры, автоклавы и т.д.). Большинство земных организмов имеет низший температурный предел 0^оС. По отношению к температуре все микроорганизмы условно подразделяются на несколько групп.

       Группы  микроорганизмов с разными температурными пределами роста.