Питание микроорганизмов

Обмен веществ у микробной клетки складывается из поступления питательных веществ, воды в клетку, выделение продуктов жизнедеятельности в окружающую среду через всю поверхность клетки.

Питательные вещества удовлетворяют потребности микроорганизмов в химических элементах, необходимых для синтеза веществ и клеточных структур, и энергии для процессов обмена веществ, роста, размножения, перемещения.

Питательные среды, из которых поступают химические элементы, называют источниками этих элементов: источник углерода, источник азота, источник кислорода.

Т.к. на долю органогенных элементов в клетке приходится до 90% СВ, то в питательной среде основная масса веществ должна приходиться на источники этих элементов.

Источником «О» являются органические вещества, вода, и молекулярный кислород воздуха. Источником «Н» также выступают вода, орг. вещества.

Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота отличаются разнообразием.

В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода и соответственно типа питания микроорганизмы делятся на две группы: гетеротрофы и автотрофы.

Автотрофы используют в качестве единственного или главного источника углерода для синтеза органических веществ – двуокись углерода (CO₂). Гетеротрофы в качестве источника углерода используют в основном органические вещества.

Биосинтез органических веществ из CO₂ протекает с потреблением световой энергии (восстановительный процесс) и называется фотосинтезом.

6CO₂ + 6H₂O →C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + АТФ

Лучистая Энергия хим.

энергия связей

Микроорганизмы-автотрофы, реализующие фотосинтез, называют по источнику энергии фототрофами. Микроорганизмы-автотрофы, использующие для биосинтеза органических веществ энергию химических реакций окисления неорганических соединений, называют хемотрофами, а процесс – хемосинтеза.

Гетеротрофы являются хемотрофами, необходимую энергию они получают путём окисления органических веществ.

Помимо источника «С» и энергии при характеристике типа питания микроорганизмов учитывается и природа окисляемого субстрата – донора водорода (электронов). Биологическое окисление органических веществ (в клетках) происходит чаще путём дегидрогенирования – отнятие атомов водорода. Т.к. атом водорода состоит из протона (H⁺) и электрона (e^-), перенос водорода включает и перенос электрона. Вещество, теряющее водород окисляется, а вещество, принимающее водород – восстанавливается.

Микроорганизмы, использующие в качестве донора водорода органические соединения, называются органотрофные, использующие неорганические соединения как доноры водорода (H₂, H₂S, S, NH₃ и др.) – литотрофные.

С учетом вышесказанного, выделяются группы микроорганизмов по типу питания с учётом природы основного: 1) источника «С», 2) энергии, 3) донора «Н»:

Фотолитоавтотрофы (углерод из CO₂, световая энергия, неорганический донор водорода) – цианобактерии, пурпурные, зелёные серные бактерии. Преимущественно водные бактерии, содержат различные пигменты, которые поглощают свет. Донор водорода у цианобактерий – вода, у серобактерий – H₂S.

Фотоорганотрофы (CO₂, световая энергия, простые органические вещества), живущие в водоёмах пурпурные несерные бактерии.

Хемолитоавтотрофы (CO₂, окисление неорганических веществ) – играют важную роль в круговороте веществ в природе. К этой группе относятся бактории водоёмов, почв, которые отличаются специфичностью по отношению к окисляемым веществам. Водородные бактерии окисляют водород с образованием воды: 2H₂+O₂→2H₂O;

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитратов NH₃→HNO₃.

Бесцветные серобактерии – сероводород окисляют до серной кислоты, железобактерии окисляют закисное железо в окисное.

Хемоорганогетеротрофы (хемогетеротрофы) (всегда органические соединения) – такой тип питания характерен для большинства бактерий, дрожжей, грибов. Среди этой группы различают паратрофы и сапрофиты.

Паратрофы (микробы-паразиты) живут и питаются веществами тела хозяина. Это возбудители заболеваний человека, животных, растений.

Сапрофиты (метатрофы) используют органические вещества субстратов животного и растительного происхождения. Они разлагают органические вещества почвы, воды, вызывают порчу пищевых продуктов. Используются в процессах переработки животного и растительного сырья. Сапрофиты наряду с органическими соединениями вовлекают в обмен веществ небольшие количества CO₂ как дополнительный источник углерода.

Источники азота

Для автотрофных м/о источником азота являются неорганические азотсодержащие вещества.

Хемогетеротрофы по отношению к источнику азота проявляют избирательность:

1. Одни способны расти на субстратах, содержащих сложные органические азотсодержащие вещества – азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот, т.к. неспособны синтезировать их самостоятельно из более простых соединений.

2. Некоторые м/о для синтеза белков достаточно наличия нескольких аминокислот. Они дезаминируют аминокислоту и образующийся NH₃ используют в реакциях восстановительного аминирования оксикислот, кетокислот

NH₃ + H₂ + CH₂ – C – COOH → CH₂ – CH – COOH + H₂O

│ ║ │ │

COOH O COOH NH₂

Щавелево-уксусная аспарагиновая кислота

кислота

Или аминокислота субстрата при участии фермента аминотрансферазы м/о путём переаминирования перестраивается

R₁-CH-COOH + R₂-C-COOH → R₁-C-COOH + R₁-CH-COOH

│ ║ ║ │

NH₂ O O NH₂

3. Многие сапрофиты используют неорганические азотсодержащие соединения, особенно хорошо усваиваются соли аммония. Из них м/о получают аминогруппу для прямого аминирования оксикетокислот – скелета новой аминокислоты.

(NH₄)₂SO₄ → NH₂ → _{+ оксикетокислота} → АмК-та

4. Нитриты и нитраты м/о восстанавливают с образованием NH₃, который участвует в биосинтетических процессах. Это обусловлено тем, что азот входит в компоненты клетки в основном в восстановленной форме.

Существуют сапрофиты, способные молекулярный азот восстанавливать в аммиак. Их называют азотфиксаторами (Azotbacter, Rhizobium), почвенные м/о.

Источниками зольных элементов для синтеза клеточных веществ для большинства м/о являются минеральные соли. Потребность в них невелика, при недостатке в питательной среде даже одного, служит причиной прекращения роста. Больше всего требуется фосфора, т.к. он входит в состав НК, АТФ, АДФ, принимает участие в биохимических превращениях. P и S некоторые м/о усваивают из органических веществ.

Потребность м/о в витаминах для нормальной жизнедеятельности обусловлена их присутствием в составе коферментов.

Одни м/о должны получать их в готовом виде из питательной среды, поэтому их называют «ростовыми веществами» (недостаток витаминов задерживает рост).

Некоторые м/о сами способны синтезировать витамины из веществ питательной среды и даже в количествах, превышающих собственные потребности.

В промышленных условиях получают эргостерин (провитамин D), используя дрожжи S. cerevisiae и S. carlsbergensis.

Кристаллический витамин D₂ получают, используя грибы родов Aspergillus, Pennicillium.

Рибофлавин (B₂) – гриб Eremothecium aschbyii;

Цианкобаламин (B₁₂) – Pseudonomas dentrificans, Nocardia rugoso.

Бета-каротин - дрожжи Rhodotoula, актиномицеты, миксобактерии, грибы.