Влияние среды на развитие микроорганизмов.

Микроорганизмы — наиболее многочисленные обитатели биосферы, занимающие все доступные для жизни уголки планеты. Благодаря разнообразию условий, в которых могут расти эти существа, наши представления о границах жизни постоянно расширяются.

Развитие микроорганизма в природе определяется его биологическими особенностями, энергетическим обменом, кинетикой роста, регуляцией, способностями к адаптации, стратегией, границами устойчивости к факторам внешней среды и т.д. Изучение экофизиологии позволяет представить возможную роль микроорганизма в сообществе, его экологическую нишу, потенциальное место в экосистеме.

Физико-химические факторы, характеризующие условия среды обитания организмов, разнообразны. К ним относят магнитные и электрические поля, солнечную активность, разные виды излучения, гидростатическое давление, температуру, кислотность (рН) среды, водную активность, окислительно-восстановительный потенциал, концентрации кислорода, питательных веществ, токсичных соединений и др.

В большинстве случаев отношение микроорганизмов к тому или иному фактору характеризуют графиком зависимости роста (например, числа клеток или скорости размножения) от интенсивности фактора. При этом определяют так называемые кардинальные точки: оптимальноезначение (или область значений), обеспечивающее наилучший рост, а также минимальноеи максимальноезначения, при которых рост прекращается. Диапазон между минимальным и максимальным значениями составляет область толерантности. В этой области (вне оптимума) организм активен, но имеет более низкую конкурентоспособность и может быть вытеснен другими видами. Помимо области толерантности, характеризуемой активной жизнедеятельностью бактерий, существуют пределы, в которых организм может длительное время сохранять жизнеспособность, но активно не развивается, например, при низкой температуре или высушивании.

Область толерантности организма к тому или иному фактору может быть узкой или широкой, и соответственно говорят о стено- и эврибионтных организмах(например, стено- и эвритермных, стено- и эвригалинных по отношению к температуре и солености соответственно). Часто употребляют и другую пару эпитетов: «-фильные» и «-толерантные» (например, термофильные и термотолерантные, галофильные и галотолерантные). Так, термотолерантные организмы, как и термофилы, имеют высокую максимальную температуру роста, однако их температурный оптимум существенно ниже.

Физико-химические условия обитания организмов в природе меняются в широких пределах. Повсеместно распространенные условия часто называют «обычными», или «нормальными», а крайние значения факторов, отличные от повсеместно распространенных, — «экстремальными». Рассмотрим подробнее наиболее экологически значимые факторы и отношение к ним микроорганизмов.

Действие температуры на рост микроорганизмов может быть обусловлено ее непосредственным влиянием на скорость химических реакций и на состояние макромолекулярных компонентов клетки (вязкость мембран, конформацию белков и т.д.). В отличие от теплокровных животных микроорганизмы не могут регулировать свою температуру (хотя нередко вызывают своей деятельностью ее повышение, например в «саморазогревающихся» кучах компоста). Их функциональная активность определяется температурой окружающей среды.

С повышением температуры скорость роста микроорганизмов вначале увеличивается, достигая максимальной. Дальнейшее увеличение температуры ведет к необратимой инактивации клеточных компонентов, прежде всего денатурации белков и нуклеиновых кислот, и гибели клетки.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на несколько групп:

v Самые «обычные» для окружающей природы мезофилырастут при умеренных температурах. У многих из них температурный оптимум близок к температуре тела теплокровных животных (30-37⁰C) или несколько ниже (20-25 ⁰C). Максимальная температура роста свободноживущих мезофилов близка к максимальному нагреву почвы (45-50 ⁰C).

v Психрофилъные— холодолюбивые — микроорганизмы растут при температурах ниже 20°С (оптимум ниже 15°С), вплоть до отрицательных значений температур. Как правило, психрофилы существуют в постоянно холодных условиях и чувствительны даже к небольшому повышению температуры. Одна из причин психрофилии — тепловая денатурация белков при умеренной температуре.

v Психроактивные (психротрофные)микроорганизмы, также растущие при О°С, в отличие от психрофилов имеют более высокие оптимальную (25 — 30°С) и максимальную (примерно 35 °С) температуры роста. Они приспособлены к сезонным изменениям климата и имеют селективные преимущества перед стенотермными видами, поскольку активны и в теплое, и в холодное время года. Многие из них — типичные обитатели холодильников. Приспособление к пониженной температуре проявляется в изменении состава мембран (в ней повышается содержание ненасыщенных жирных кислот) и синтезе криопротекторов (например, глицерола). Другой механизм связан с накоплением в клетках больших количеств наиболее важных ферментов, так что даже при неоптимальной температуре их функционирование позволяет клетке поддерживать достаточную активность.

В зоне холодного и умеренного климата, характерного для нашей страны, значение психрофильных и психротрофных микроорганизмов в природных процессах очень велико.

К термофиламотносят микроорганизмы, имеющие оптимум развития при температуре выше 50 °С. В зависимости от кардинальных температур их подразделяют на ряд групп: термотолерантные(максимум 45 — 50°С), факультативные, облигатные,а также экстремальные термофилыи гипертермофилы(оптимум 80 — 105^оC, максимум 110°С и выше). Эта классификация в значительной мере условна, однако позволяет выделить достаточно четкие экофизиологические группы. Многие термофилы встречаются практически повсеместно (в почве, пищеварительном тракте человека и животных, на растениях и пищевых продуктах), другие приурочены к местам с высокой температурой (горячим источникам, саморазогревающимся скоплениям торфа или угля).

Кислотность среды является важным фактором, определяющим существование прокариот. С одной стороны, концентрация ионов водорода непосредственно влияет на клетку, ее электрический заряд, состояние мембраны, возможность протекания окислительно-восстановительных реакций, с другой стороны, — косвенно, определяя ионное состояние металлов, кислот, их доступность и токсичность. Значения реакции среды различных природных вод и растворов, где развиваются микроорганизмы (от рН 1 — 2 в кислых источниках и рудничных стоках до рН 10 в содовых озерах), покрывают почти весь теоретически возможный диапазон значений рН (0— 14). По отношению к рН среды микроорганизмы подразделяют на ряд физиологических групп.

Нейтрофилыразвиваются при значении рН, близком к нейтральному (рН 6 — 8); многие виды растут или выдерживают более низкие или высокие значения рН, соответственно их относят к ацидотолерантным или алкалотолерантным. Большинство природных местообитаний (пресноводные озера и реки, многие почвы, внутренняя среда растительных и животных организмов) имеют близкую к нейтральной реакцию среды; слабощелочной является и морская вода.

К ацидофиламотносят организмы, растущие в кислой среде (рН < 6). Среди них выделяют облигатные и факультативные (ацидотолерантные), способные расти и в нейтральных условиях. Примером ацидофилов служат молочнокислые, уксуснокислые бактерии, многие грибы.

Среди алкалифилов, предпочитающих значения рН 8,5 и выше, например среди уробактерий и многих цианобактерий, также выделяют факультативные (способные расти в нейтральной среде) и облигатные виды. Независимо от рН окружающей среды внутриклеточное значение рН поддерживается близким к нейтральному (6 — 8) даже у алкали- и ацидофилов.

Жизнедеятельность микроорганизмов часто может приводить к изменению рН среды. Так, к подкислению среды ведут окисление сульфидов до серной кислоты тионовыми бактериями, процессы нитрификации, многие брожения. В некоторых случаях бактерии могут регулировать рН среды за счет изменения метаболизма.

Важной характеристикой местообитаний микроорганизмов является доступность воды, которую выражают через величину ее активности (a_w),рассчитываемую как отношение давления пара жидкости к давлению пара дистиллированной воды. Значения а_w, при которых возможен рост микроорганизмов, составляют от 0,99 до менее 0,7.

Одной из причин снижения активности воды может быть концентрация солей. Водные местообитания на Земле имеют различную соленость — от почти нулевой (например, дождевая вода) до очень высокой, как в насыщенных растворах в солеварнях. По отношению к солености микроорганизмы подразделяют на ряд групп.

Пресноводные (негалофильные)организмы, в том числе обитатели ультрапресных вод, развиваются в среде с содержанием солей < 0,01 % и обычно чувствительны к 3 %-й концентрации NaCl.

Галотолерантныеорганизмы выдерживают более высокие концентрации и часто обитают в местах с меняющейся соленостью, например в почве.

Для морских бактерийоптимум солености составляет около 3,5 %. Как правило, они растут в узком диапазоне концентраций соли: 2,5 — 5,0% NaCl. Типичными морскими бактериями являются Alteromonas, Vibrio, Photobacterium.

Умеренные галофилырастут в диапазоне солености примерно 5-15%.

Экстремальные галофилы развиваются при концентрации NaCl от 12-15% вплоть до насыщенных растворов соли.

Особую группу составляют галоалкалифилы, растущие при высоких концентрациях соды и сочетающие в себе свойства экстремальных гало- и алкалифилов. Типичными их местообитаниями являются высокоминерализованные содовые озера.

Основным механизмом приспособления к осмотическому состоянию среды служит синтез микроорганизмами осмопротекторов (осмолитов)— низкомолекулярных органических веществ, концентрация которых в цитоплазме уравновешивает внешнее давление. Их состав зависит от концентрации NaCl в среде и не одинаков у разных микроорганизмов.

Адаптация к солености у экстремально галофильных архей (порядок Halobacteriales) основана на аккумуляции ионов K⁺. Внутриклеточная концентрация ионов может быть выше в 1000 раз, чем в окружающей среде, т.е. ферменты галобактерий работают в солевом растворе. Подобная же стратегия обнаружена у некоторых эубактерий — Salinibacter ruber и представителей порядка Haloanaerobiales.

Микроорганизмы используют энергию окислительно-восстановительных реакций, поэтому одним из важнейших факторов, влияющих на их развитие, является окислительно-восстановительный потенциал среды Eh. Значение Eh характеризует восстановленность среды и определяет термодинамическую возможность осуществления окислительно-восстановительных реакций.

Для многих веществ в координатах Eh-рН вычислены так называемые термодинамические поля устойчивости. Жизнедеятельность микроорганизмов приводит к изменению окислительно-восстановительного потенциала среды. Основными восстановителями в природе служат H₂ и H₂S, часто образуемые микроорганизмами, главный окислитель — продукт оксигенных фототрофов, молекулярный кислород.

Кислород выступает по отношению к микроорганизмам не только как фактор, определяющий окислительно-восстановительные условия среды и возможность протекания многих химических реакций, но и как важнейший катаболический субстрат, акцептор электронов для аэробных организмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делятся на аэробные, использующие O₂ как акцептор электронов при дыхании, и анаэробные, не нуждающиеся в O₂.

Аэробов можно обнаружить в хорошо аэрируемых биотопах: в воздухе, сухой почве, на камне, поверхности кожи и т.д. К ним относятся многие тионовые, нитрифицирующие бактерии, разнообразные органотрофы, в том числе большинство актиномицетов и грибов. Микроаэрофилы (например, водные спириллы) нуждаются в низкой концентрации O₂ и часто обладают высоким сродством к нему, что позволяет им развиваться в зонах пониженного содержания O₂.

В отличие от облигатных аэробов, использующих в качестве акцептора электронов при дыхании только O₂, факультативные аэробы(факультативные анаэробы) могут переключаться с аэробного метаболизма на анаэробный, например с дыхания на брожение. Классическим примером их служат дрожжи. Факультативными аэробами являются энтеробактерии, подавляющее большинство денитрификаторов. К ним относятся и некоторые фототрофы (например, пурпурные несерные бактерии), осуществляющие фотосинтез в анаэробных условиях на свету, но способные к аэробному дыханию в темноте.

Облигатные анаэробычувствительны к токсическому действию O₂ и часто нуждаются для своего развития в восстановительной обстановке. Процессы получения энергии связаны у них с брожениями или восстановлением неорганических акцепторов электронов (CO₂, S⁰, SO^2-₄ , Fe³⁺ и т.д.), последовательность использования которых в природных местообитаниях определяется окислительно-восстановительным потенциалом среды. Облигатными анаэробами являются многие аноксигенные фототрофы — гелиобактерии, зеленые и ряд пурпурных серобактерий. Аэротолерантные анаэробымогут расти в присутствии некоторого количества O₂, не изменяя при этом анаэробный тип метаболизма, например брожение у ряда стрептококков.

Солнечный свет, используемый в реакциях фотосинтеза, служит основным источником энергии для подавляющего большинства экосистем на Земле. Важнейшими параметрами, определяющими активность фототрофных организмов, являются интенсивность падающего света, его спектральный состав, длительность светового дня. Около 50 % падающей на Землю лучистой энергии приходится на видимую область света (380 — 760 нм), другие 50 % составляют ИК-лучи и менее 1 % — УФ-лучи. Интенсивность света, проходящего сквозь толщу воды, снижается с глубиной, при этом меняется и его спектральный состав. Наиболее резко (на глубине первых метров) отсекаются инфракрасные и красные лучи, глубже всех проникают лучи с длиной волны 540 — 560 нм.

Свет часто оказывается лимитирующим фактором. Поэтому фототрофные микроорганизмы обладают многочисленными механизмами, позволяющими использовать его энергию с максимальной эффективностьюБольшинство фототрофных микроорганизмов способны к фототаксису и могут занимать местоположение с оптимальной освещенностью. Другим способом адаптации к свету является изменение в зависимости от интенсивности освещения содержания фотосинтетических пигментов, количества тилакоидов, светособирающих ловушек, площади фотосинтезирующих мембран. Зеленые серобактерии (Ancalochloris, Prostecochloris) способны к увеличению светособирающей поверхности за счет образования выростов (простек), содержащих хлоросомы, что дает им возможность эффективно использовать свет низкой интенсивности. Важнейшим механизмом приспособления к освещению служит и свойственная ряду цианобактерий хроматическая адаптация — изменение соотношения в их клетках фикобилиновых пигментов (фикоэритрина, фикоцианина и др.) в ответ на изменение спектрального состава света.

Фототрофные микроорганизмы различаются по отношению к освещенности — от светолюбивых (например, образующая пятна цветения цианобактерия Anabaena flosaquae; обитающие в мелких, ярко освещенных прудах-испарителях галобактерии) до обитающих при низкой освещенности на глубине водоемов.

Свет относится к группе периодически действующих факторов, поэтому все фототрофы так или иначе приспособлены к суточным и сезонным ритмам, т.е. к переживанию периодов темноты Метаболизм многих фототрофов меняется не только при смене света и темноты, но и в условиях промежуточной освещенности (на рассвете и в сумерки). Примером может служить утренний «глоток азота», т. е. зарегистрированный в часы восхода кратковременный период азотфиксации цианобактерией Microcoleus chtchonoplastes, важнейшим компонентом цианобактериальных матов. Такая возможность обеспечивается возникновением за ночь в мате восстановительной среды.

Свет может служить для микроорганизмов «источником информации», что проявляется, например, в реакциях фототаксиса, индукции синтеза пигментов, регуляции образования и прорастания спор (у грибов) и т.д.

Доступность питательных веществ имеет определяющее значение для существования микроорганизмов и часто лимитирует их рост. Как правило, концентрация субстрата в экосистеме — величина непостоянная. Содержание органических веществ, продуцируемых фототрофами, может колебаться с суточной периодичностью.

Более того, не все промежуточные продукты разложения мортмассы могут легко использоваться микроорганизмами и подвергаться полной минерализации. Часть их (например, в виде гумуса), надолго выводится из сферы реакции и чрезвычайно медленно утилизируется метаболически специализированной так называемой автохтонной микрофлорой (термин, предложенный С. H. Виноградским; противоположное понятие — зимогенная микрофлора, развивающаяся на легко доступном органическом веществе). В результате этого концентрация легко утилизируемого органического вещества (сахаров, аминокислот) в природных экосистемах в основном очень низкая. Большую часть времени микроорганизмы в природе обычно находятся в состоянии лимитирования по субстрату или «голодного ожидания». Поэтому ключевое значение в конкуренции за использование субстрата имеют сродство к субстрату (константа насыщения), связанные с ним скорость роста и скорость потребления субстрата, пороговая концентрация субстрата и другие кинетические характеристики.

По отношению к концентрации субстрата микроорганизмы делят на копиотрофы,организмы-колонизаторы, растущие при его высоких концентрациях, и олиготрофы— преимущественно медленно растущие формы, использующие питательные вещества в очень низкой концентрации.

Подавляющее большинство микроорганизмов встречается в природе в прикрепленном (иммобилизованном) состоянии: в виде биопленок, образуя погруженные в слизь микроколонии, или в виде наростов на твердых субстратах. Большое значение прикрепление имеет для обитающих в текучих водах (ручьях, источниках) кренофильных микроорганизмов. Многие из них имеют форму одетой чехлом нити, один конец которой прикрепляется к субстрату, а другой конец, омываемый текущей водой с растворенными питательными веществами, развевается в потоке. Прикрепленные микроорганизмы находятся в ином физиологическом состоянии по сравнению с взвешенными в воде подвижными бактериями. Это может быть обусловлено генетически контролируемой физиологической дифференциацией, сменой стадии жизненного цикла (например, Caulobacter из подвижной стадии расселения переходит в прикрепленную репродуктивную стадию с характерным образованием стебелька). Кроме того, условия, создающиеся в биопленке или макроскопических полисахаридных структурах (например, вязкость, влажность, градиент O₂, содержание питательных веществ, наконец, плотность популяции микроорганизмов и расстояния между клетками вплоть до связанных с ними «социальных» явлений и «кворум-эффекта»), значительно отличаются от условий окружающей биопленку среды. Яркое выражение это получает в «архитектуре» микробных сообществ.

Структурная организация метаногенного сообщества была выявлена при анализе работы метантенка. Сообщество развивается в виде своеобразных гранул, сложенных клетками Methanosarcina, в пространствах между которыми располагаются разнообразные микроорганизмы, осуществляющие анаэробное разложение органических веществ. Подобные взаимодействия могут быть проиллюстрированы и другими примерами: аэробные органотрофы ассоциированы с чехлами и капсулами цианобактерий; бактерии сообщества активного ила в полисахаридным матриксе, образуемом Zoogloea ramigera; «чайный гриб» — консорциум дрожжей Saccharomyces cerevisiae и уксуснокислой бактерии Acetobacter xylinum, из целлюлозоподобного экзополисахарида которой и сложено тело «гриба».

Другой тип архитектуры микробного сообщества представляет мат, или псевдоткань, «сотканная», например, из нитей Microcoleus chthonoplastes (эдификатора, т.е. «строителя» цианобактериального сообщества).

Многие микроорганизмы имеют сложные циклы развития и способны к дифференциации, которая может быть естественной стадией в цикле их развития или является ответом на изменение условий. Важнейшее значение для выживания в неблагоприятных условиях имеет образование покоящихся форм: цист, конидий, акинет, экзо- и эндоспор. Наиболее устойчивы к разнообразным неблагоприятным физическим и химическим воздействиям эндоспоры (образуются бактериями Bacillus, Clostridium и др.), способные сохранять жизнеспособность в течение десятков, сотен и более лет.

Другим случаем приспособления к неблагоприятным условиям некоторые авторы рассматривают так называемое некультивируемое состояние (потеря способности прорастать на питательных средах), свойственное некоторым не образующим спор бактериям. Это регулируемый многостадийный процесс, возникающий в ответ на снижение температуры, голодание и ряд других стрессовых факторов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: