Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания. Лекция 2

1. Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии
Микроорганизмы и важнейшие
физические факторы среды
обитания
Лекция 2
Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

2. План лекции:

Влияние температур на микроорганизмы
Температурные оптимумы и пределы толерантности
бактерий
Понятие о психрофилах, мезофиллах и термофилах
Молекулярные особенности, определяющие границы
температурной толерантности бактерий
Влияние магнитных полей на микроорганизмы.
Магнетотаксис
Влияние земного тяготения на микроорганизмы
Влияние гидростатического давления на
микроорганизмы

3. Определение понятий

Аутэкология (греч. аutos – сам) – раздел экологии, изучающий действие
различных абиотических (физических и химических) факторов среды на
организмы.
График зависимости роста от интенсивности фактора (минимальное,
оптимальное и максимальное значения, область толерантности)
Скорость роста
Интенсивность
фактора
Стено- и эврибионтные организмы (узкая и широкая область
толерантности)
Облигатные - организмы, которые ограничиваются каким-либо одним
характерным для них способом существования.
Факультативные - организмы, не ограничивающиеся каким-либо одним
способом существования.
-фильные и -толерантные

4.

Влияние температуры
Жизнедеятельность каждого микроорганизма ограничена определенными
температурными границами. Оптимальная температура обычно
приравнивается к температуре окружающей среды. На графике показано, что
для каждого организма существует минимальная температура, ниже которой
рост не наблюдается; максимальная температура, выше которой рост
невозможен, а оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к
минимальной.
По отношению к температуре бактерии
делят на три группы: психрофилы (гр.
psychria — холод, phileo — люблю),
относительно быстро размножающиеся при
температуре О °С; термофилы (гр.therme жара, тепло), растущие при температуре
выше 45—500С, мезофилы (гр. mesos —
средний, промежуточный), развивающиеся
в диапазоне умеренных температур.
© http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/2545/Температурные

5. Понятие о психрофилах, мезофилах и термофилах

© http://evolution.powernet.ru/library/micro/09.html
Температурные границы и оптимальные зоны роста прокариот и
основнная на этом и классификация
I. Психрофилы: 1- облигатные, 2 – факультативные.
II. Мезофилы.
III. Термофилы. 3 – термотолерантные, 4 – факультативные, 5 –
облигатные, 6 – экстремальные.
Жирной линией выделены оптимальные температуры роста

6. Понятие о психрофилах, мезофилах и термофилах

https://online.science.psu.edu/micrb106_wd/node/6211

7. Молекулярные особенности термотолерантности

Для сохранения относительно нормального уровня
жизнедеятельности при изменении температуры организмы
используют:
регуляцию биохимических процессов путем ускорения или
замедления работы ферментов,
усиления или ослабления их синтеза,
изменение свойств биологических макромолекул,
пуск в ход процессов, вырабатывающих или поглощающих
тепло,
теплоизоляцию,
уход от мест с неблагоприятным температурным режимом
и т.д.
переход к состоянию более или менее скрытой жизни.
Приспособление к температурному фактору вовлекает все
уровни организации живого, начиная с молекулярного и
кончая биоценотическим.

8.

Молекулярные особенности
термотолерантности
Биомакромолекулы
Психрофилы
Термофилы
Липиды цитоплазматической мембраны
Ненасыщенные,
разветвленные,
короче
Насыщенные,
разветвленные,
длиннее
Белки
Низкое количество
S-S связей,
больше полярных
групп
Высокое количество
S-S связей,
белки-шапероны и
полиамины
Нуклеиновые
кислоты
Преобладают АТпары
Преобладают GCпары

9.

Психрофилы и психротрофы
К облигатным, или истинным, психрофилам относят такие
организмы, оптимальная температура жизнедеятельности которых
составляет 15°С или ниже, а максимальная — не выше 200С. Они могут
существовать только в местах с постоянно низкой температурой.
Психрофилы формируют постоянную естественную микрофлору
регионов вечного холода. Психрофильные бактерии живут в условиях
Арктики и Антарктики, их находят в пробах из горных ледников, морей,
наносов холодных пещер, в воде колодцев и родников.
Представители родов Aerobacter, Aeromonas, Alcaligenes, Asotobacter,
Bacillus, Corinebacterium, Nitrobacter, Nitrosomonas, Nicrobacter, Proteus,
Streptococcus и др.
Психротрофы растут при 0°С, но температурный оптимум их
развития составляет 25—30 °С и максимум около 35 °С, их называют
иногда факультативными психрофилами. Психротрофы более широко
распространены, чем облигатные психрофилы. Представители родов
Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Chromobacterium,
Flavobacterium и др.

10.

Особенности метаболизма психрофилов:
Cнижаются питательные потребности бактерий, расширяется круг
потребляемых субстратов, бактерии не нуждаются в добавочных
факторах роста, что позволяют им длительно размножаться в
окружающей среде при низкой температуре.
Ферменты имеют низкие температурные оптимумы активности и
обладают термолабильностью – разрушаются при более высоких
температурах. Установлено, что это аминоацилсинтетазы.
В целом белки содержат больше полярных групп, чем гидрофобных,
Повышенное содержание ненасыщенных кислот в
цитоплазматических мембранах, уменьшение длины цепи,
появлением ненасыщенных связей циклопропановых групп, а также
ветвление цепи.
Психрофилия определяется комплексом причин, причем
приспособленность психрофилов к существованию в условиях
низких температур объясняется исключительно их физиологобиохимическими свойствами. Не обнаружено каких-либо
цитоморфологических особенностей, характеризующих
психрофильные бактерии.

11.

Мезофилы
Мезофилы – это большинство наиболее распространенные бактерии
в природе. Мезофилами являются возбудители ряда заболеваний и
отравлений. Некоторые представители этой группы хорошо растут как
при 25 С, так и при более высоких температурах 50 - 65С.
Оптимальная и максимальная температуры у большинства
мезофильных микроорганизмов меняются в зависимости от климата. В
этом сказывается приспособительная реакция микроорганизмов к
условиям среды.
Типичным мезофилом является E. сoli:
нижняя граница роста + 10 С,
верхняя + 37 С при росте на богатой среде.
© http://www.bacteriainphotos.com/bacteria%20under%20microscope.html#

12.

Термофилы
В зависимости от значении кардинальных температур среди
термофильных бактерий различают:
термотолерантные бактерии с температурным максимумом 45—
50 °С;
факультативные термофилы с температурным максимумом 50—
65 и минимумом менее 20 °С;
облигатные термофилы, имеющие температурный оптимум 65—
70°С и минимум выше 40—42 °С;
экстремально термофильные с температурным оптимумом выше
70 °С.

13.

Термофилы
Некоторые термофильные бактерии, для которых характерны не
слишком высокие значения оптимальной и максимальной
температуры, в своем распространении не связаны с каким-либо
субстратом, имеющим постоянно высокую температуру.
Lactobacillus - температурный максимум от 50 до 53 °С.
Термофильные бактерии связанные в своем развитии с
саморазогревающимися органическими субстратами. Это может быть
влажное сено, торф, хлопок, зерно, табак, а также навоз, компосты,
прелые листья, силос.
Широко распространены Bacillus stearothermofillus (оптимум роста при
50—65), Clostridium thermocellum растущие при температуре от 45 до
70°С).
Среди метанобразующих бактерий имеются термофилы и
крайние термофилы Methanobacterium ruminantium (52—53°С).
В горячих источниках развиваются термофильные
эу- и
архебактерии,, аэробные и анаэробные, фототрофные,
хемолитотрофные и гетеротрофные бактерии.

14.

Особенности метаболизма термофилов:
Температура плавления мембранных липидов возрастает при повышенном
содержании насыщенных кислот в ЦПМ. Эти кислоты характеризуются также
более длинной (17-19 атомов углерода) и разветвленной цепью.
Могут существовать две формы одного и того же фермента, различающиеся
термоустойчивостью вследствие усиления внутримолекулярных
взаимодействий и замене отдельных аминокислот.
Присутствуют специальные белки-шапероны, способствующие
формированию термостабильной третичной структуры белков.
Характерно присутствие в клетках специфических полиаминов (спермина,
спермидина и путресцина), стабилизирующих ДНК в условиях высоких
температур.
Суперспирализация ДНК под действием специфического фермента –
обратной гиразы, а также содержится повышенное количество Г и Ц.
Для стабильности рибосом большое значение имеет комплектование РНК с
рибосомными белками, повышенное содержание Г-Ц пар и наличие
модифицированных оснований.

15.

Влияние магнитных полей
Все живые организмы находятся в области магнитного поля Земли
(25-50 А/м).
Воздействие дополнительными более мощными полями иногда
приводит к стимуляции их роста. Так, воздействие магнитным полем
напряженностью в 12 · 103 А/м приводило к некоторому ускорению
роста Pseudomonas aeriginosa, Staphilococcus epidermidis,
Halobacterium salinarium.
В магнитном поле напряженностью в 24 · 103 или 50 · 103 А/м
наблюдали их угнетение. Замедление роста Micrococcus denitrificans
наблюдали при 40 · 104 - 64 · 104 А/м, Staphilococcus aureus и Serratia
marcescens – при 120 · 104 А/м.
Действие переменных магнитных полей обычно более эффективно,
чем постоянных. В естественной среде обитания бактерий
магнитные поля такой напряженности не встречаются.

16.

Магнитобактерии
Магнитотаксис - способность регулировать направление
своего движения в соответствии с направлением силовых линий
магнитного поля.
Магнитосомы - кубические или октаэдрические кристаллы
магнетита (Fe3O4).
У спирилл по длинной оси клетки расположено около 22
кристаллов с гранями порядка 50 нм длиной. Содержание
железа в клетках довольно велико, до 3,8%, тогда как у
обычных бактерий – не более 0,025%.

17.

Магнитобактерии
Магнитобактерия
Цепочки магнитосом в живых клетках
Отдельные магнитосомы
© http://www.pmbio.icbm.de/mikrobiologischer-garten/de/demag01a.htm

18.

Влияние земного тяготения
Теоретически невесомость на микроорганизмы может влиять
через перераспределение внутриклеточных частиц или в
результате изменения взаимодействия между клетками
популяции в жидкой среде.
Заметное влияние только для клеток, размеры которых
превышают 10 мкм. Невесомость может влиять на бактерии
изменяя лишь скорость их осаждения.
Гравитаксиса нет

19.

Влияние давления
К атмосферному давлению бактерии, а особенно споры, очень
устойчивы. Ряд бактерий (пьезотолерантные) хорошо переносят как
обычное атмосферное давление ( 1 атм.), так и повышенное (500-600
атм.).
Пьезофилы лучше развиваются при давлении выше обычного, а при
снижении давления замедляют свою скорость роста.
Облигатные пьезофилы не растут при обычном давлении.
Экстремально пьезотолерантные хорошо растут при давлении
больше 600 атм.
Механизм влияния давления на метаболическую активность не
выяснен, однако, оно непосредственно влияет на липидный состав
мембран и белковый состав клеток.
Пьезофилия + психрофилия
Сочетанное действие повышенных температур и повышенного
давления используется в паровых стерилизаторах для стерилизации
паром под давлением.

20.

Влияние давления
Группы микроорганизмов, выделяемые по отношению к гидростатическому
давлению. 1 - пьезотолерантные. 2 - умеренные пьезофилы. 3 экстремальные пьезофилы.
http://www.ngpedia.ru/pg061HO1e3P6e9d9t6Y7y10008270197/

21. Заключение

Жизнь микроорганизмов находится в тесной зависимости от
условий окружающей среды. Все факторы окружающей среды,
оказывающие влияние на микроорганизмы, можно разделить на
три группы: физические, химические и биологические,
благоприятное или губительное действие которых зависит как
от природы самого фактора, так и от свойств микроорганизма.
Из физических факторов наибольшее влияние на развитие
микроорганизмов оказывает температура.
Также бактерии и особенно их споры устойчивы к
механическому давлению.