Фізіологія мікроорганізмів умови культивування бактерій, дихання бактерій
Умови культивування бактерій
Для зростання бактерій, крім складу живильного середовища, мають значення кислотність середовища, аерація, температура, світло та вологість. Більшість бактерій росте при рН 6,8-8,0, тобто в нейтральному середовищі. Підтримка нейтрального значення рН, особливо важлива для кислотопродукуючих бактерій. У процесі промислового культивування бактерій у великих обсягах рН середовища регулюється автоматично додаванням розчинів бікарбонату натрію або лугів.
Газовий склад середовища також є важливим для бактерій. Значна частина їх потребує постійному припливі молекулярного кисню. Такі мікроорганізми об'єднані у групу облігатних аеробів. Найменша частина бактерій - облігатні анаероби - здатні розвиватися тільки без кисню. Однак більшість бактерій – факультативні анаероби, вони ростуть як у присутності кисню, так і без нього.
Для бактерій, що культивуються на щільних живильних середовищах або в невеликих обсягах рідких середовищ, достатньо кисню, що знаходиться в атмосфері. Для культивування бактерій-аеробів у промислових масштабах потрібна примусова аерація шляхом продування кисню в реактор чи ферментатор з культурою, а культивування анаеробів - створення безкисневих умов.
Більшість відомих мікроорганізмів належить до мезофілів, температурний оптимум яких лежить в інтервалі 25-37оС. Термофіли здатні зростати при 45-90оС, а психрофіли залишаються життєздатними при 5-10оС.
Відхилення температурного режиму від оптимального несприятливо позначається життєдіяльності бактерій. Тому культивування їх здійснюють у спеціальних шафах-термостатах або термостатованих.кімнати, де підтримується оптимальна задана температура.
При культивуванні бактерій у лабораторних та виробничих умовах для отримання великих кількостей біотехнологічного продукту - вакцин, діагностикумів, біологічно активних речовин, використовують дві різні технологічні системи: постійне (або періодичне) і безперервне (або проточне) культивування.
У першому випадку розмноження бактерій відбувається в закритій посудині до тих пір, поки щільність клітинної популяції не досягне критичної концентрації і не будуть вичерпані запаси живильного середовища, а продукти метаболізму не почнуть виявляти токсичні властивості. У такій культурі розмноження бактерій обмежено певною кількістю популяцій. У промислових умовах часто використовують другий варіант – проточне (або безперервне) культивування.
При цьому в реактор або ферментатор безперервно, при перемішуванні, надходить свіже живильне середовище, а продукти метаболізму і бактеріальна маса, що накопичилася, автоматично видаляються. Таке культивування можна здійснювати у спеціальних апаратах: хемостаті та турбідостаті, де необхідний обсяг живильного середовища надходить автоматично, залежно від концентрації бактеріальних клітин.
Ізотонічність живильного середовища залежить від вмісту неорганічних солей. Для більшості ізотонічних бактерій вважається середовище, концентрація натрію хлориду в якій становить 0,5-0,6 %.
Час вирощування (культивування) бактерій залежить від часу чергового поділу клітин цієї популяції.
Дихання бактерій
Для здійснення біологічних синтезів, крім поживних речовин, бактерії потребують певної кількості енергії.
Універсальний акумулятор хімічної енергії в клітині єаденозинтрифосфорна кислота (АТФ), яка утворюється в результаті дихання, біологічного окислення, заснованого на окисно-відновних реакціях або бродінні. Молекули АТФ синтезуються внаслідок перенесення електрона від первинного донора до кінцевого акцептора. Кінцевим акцептором електронів найчастіше виступає молекулярний кисень О2 і тоді здійснюється аеробне дихання. Якщо як акцептор електронів виступають неорганічні сполуки (NO2, SO4, SO3), виникає анаеробне дихання.
У тому випадку, коли продукти органічного субстрату є одночасно і донорами і акцепторами водню, метаболічний процес називається бродінням (ферментацією).
За потребою у кисні бактерії можна поділити на 5 груп: 1. Суворі (облігатні) аероби, зростання цих мікроорганізмів припиняється без О2.
2. Суворі (облігатні) анаероби не переносять доступу повітря, так як токсичні похідні кисню (перекис водню, супероксидний і гідроксильний радикали, синглетний кисень) згубні для самих же бактерій через відсутність у них ферментів (каталази, пероксиду, що руйнують ці токсичні продукти.
3. Факультативні анаероби - найбільш широка група патогенних мікроорганізмів, які здатні використовувати як акцептори електронів як молекулярний кисень, так і органічні сполуки, а також переключаться на процес бродіння без молекулярного кисню.
4. Мікроаерофільні бактерії добре ростуть при зниженому парціальному тиску кисню, але при підвищеному вмісті СО2.
5. Аерофіли потребують підвищеного вмісту кисню.
Ферменти бактерій
Живлення мікроорганізмів здійснюється завдяки наявності у клітинірізних ферментів, що каталізують усі життєво необхідні реакції. Ферменти – це біологічні каталізатори білкової природи. Мікробна клітина, подібно до клітин вищих організмів, оснащена досить активним ферментативним апаратом. Ферменти мікроорганізмів мають ті самі властивості та функції, що й ферменти вищих організмів.
Відповідно до каталізуючих реакцій всі ферменти поділяють на шість класів: 1. Оксидоредуктази – каталізують реакції окислення-відновлення. 2. Трансферази - каталізують реакції перенесення різних груп від донора до акцептора. 3. Гідролази - каталізують розрив зв'язків у субстратах із приєднанням води. 4. Ліази - каталізують реакції розриву зв'язків у субстраті без приєднання води чи окислення. 5. Ізомерази - каталізують перетворення в межах однієї молекули (внутрішньомолекулярні перебудови). 6. Лігази (синтетази) – каталізують приєднання двох молекул з використанням енергії фосфатних зв'язків.
Незважаючи на малі розміри мікробної клітини, розподіл у ній ферментів суворо впорядкований. Ферменти енергетичного обміну та транспорту поживних речовин локалізовані у цитоплазматичній мембрані та її похідних. Ферменти синтезу білків пов'язані з рибосомами. Багато ферментів не пов'язані з певними структурами клітини, а перебувають у цитоплазмі у розчиненому вигляді.
Ферменти бактерій поділяються на екзо- та ендоферменти. Ендоферменти функціонують лише усередині клітини.
Вони каталізують реакції біосинтезу та енергетичного обміну. Екзоферменти виділяються клітиною в середу і каталізують реакції гідролізу складних органічних сполук більш прості, доступні для асиміляції мікробною клітиною. До них відносяться гідролітичні ферменти, які грають виключно важливу рольу харчуванні мікроорганізмів.
Відомі ферменти, які отримали назву алостеричних. Крім активного центру, вони мають регуляторний, або алостеричний центр, який у молекулі ферменту просторово розділений з активним центром. Алостеричним (від грец. alios - інший, чужий) він називається тому, що молекули, що зв'язуються з цим центром, за будовою (стерично) не схожі на субстрат, але впливають на зв'язування та перетворення субстрату в активному центрі, змінюючи його конфігурацію. Молекула ферменту може мати кілька алостеричних центрів. Речовини, що зв'язуються з алостеричним центром, називають алостеричними ефекторами.
Вони впливають через алостеричний центр на функцію активного центру: або полегшують її, або ускладнюють.
Відповідно алостеричні ефектори називаються позитивними (активатори) або негативними (інгібітори). Алостеричні ферменти відіграють важливу роль у тонкій регуляції метаболізму бактерій. Оскільки практично всі реакції клітини каталізуються ферментами, регуляція метаболізму зводиться до регуляції інтенсивності ферментативних реакцій.
Ферменти мікроорганізмів, такі як лігази та рестриктази, знайшли широке застосування в біотехнології, у тому числі в генетичній інженерії, для отримання різних біологічно активних речовин, гібридом, що продукують моноклональні антитіла, а також ряду продуктів у легкій та харчовій промисловості.
p align="justify"> Ферменти мікроорганізмів характеризують їх біологічні властивості і тому їх досліджують з метою ідентифікації бактерій. Залежно від субстрату гідролітичні ферменти прийнято ділити на великі групи: 1 - гідролітичні (чи сахаролитические) ферменти, субстратом для яких є різні цукру, а продуктами їх розщеплення -кислоти, спирти, альдегіди, Н2О та СО2; 2 - протеолітичні ферменти, що розщеплюють білки з утворенням поліпептидів, амінокислот, аміаку, індолу, сірководню.
Для вивчення активності ферментів під час ідентифікації мікроорганізмів широко використовують диференціально-діагностичні середовища, до складу яких входять певні субстрати – цукру чи білки.