Глава 1. Питание микроорганизмов

Питание микроорганизмов – включение в метаболические реакции любого характера тех или иных соединений внешней среды. Питательным веществом следует считать любое химическое вещество, которое способно удовлетворять энергетические потребности клетки либо анаболические функции, либо те и другие. Потребности в питательных веществах у микроорганизмов весьма разнообразны, но тем не менее можно говорить о каких-то общих принципах питания.

Прежде всего, все химические элементы, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов, подразделяют на макро- и микроэлементы. К основным макроэлементам, из которых состоят биополимеры микроорганизмов, относятся С, О, Н, N, P, S. Кроме того, для построения клеток необходимы важные в качестве электролитов щелочные металлы (К, Na), щелочноземельные металлы (Mg, Ca), выполняющие функции кофакторов ферментов. К микроэлементам относятся металлы переходной группы (V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Wo) и неметаллы (Se, B, Cl и др.). Набор требуемых микроэлементов зависит от вида микроорганизмов. В природе микроэлементы обычно присутствуют в виде свободных катионов или анионов, поглощаемых микробными клетками с помощью относительно специфических транспортных систем. Некоторые из микроэлементов встречаются в форме оксианионов, таких как SeO₃^- (селенит), WoO₄^2- (вольфрамат) и MoО₄^2- (молибдат). В клетках микроорганизмов они подвергаются ферментативному восстановлению, приобретая валентность, необходимую для ассимиляции.

Некоторые виды микроорганизмов не способны сами синтезировать отдельные органические вещества: аминокислоты, азотистые основания, витамины, вследствие чего не могут расти при их отсутствии в питательной среде. Такие соединения являются для них факторами роста. Микроорганизмы, нуждающиеся в определенном факторе роста, называются ауксотрофными в отличие от прототрофных, которые способны синтезировать все необходимые для них соединения. Примером природных ауксотрофных микроорганизмов являются молочнокислые бактерии, которые зависят от наличия в среде многих аминокислот и витаминов.

По способу поступления питательных веществ в клетки микроорганизмов различают два типа питания: осмотрофное и фаготрофное. Подавляющее большинство микроорганизмов питается по осмотрофному типу: поглощают растворенные в воде вещества. Фаготрофное питание у большинства микроорганизмов невозможно, так как их клетки имеют ригидные клеточные стенки, и поэтому они не способны захватывать твердые частицы.

В зависимости от использования источников углерода все микроорганизмы разделяются на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища, питание) – это микроорганизмы, способные усваивать или фиксировать углекислый газ воздуха в качестве единственного источника углерода и синтезировать из него органические вещества своих клеток.

Гетеротрофы – микроорганизмы, нуждающиеся в готовых органических веществах.

Как автотрофы, так и гетеротрофы подразделяют на две группы в зависимости от того, какой источник энергии они используют: фототрофы используют энергию света и трансформируют ее в химическую, хемотрофы используют энергию, освобождаемую в реакциях окисления органических или неорганических веществ.

В зависимости от того, какие питательные вещества – органические или неорганические – являются донорами электронов, все микроорганизмы также подразделяют на две группы. Органотрофными являются организмы, использующие в качестве доноров электронов органические соединения, к литотрофным относятся организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества (H₂, NH₃, H₂S, CO, Fe²⁺ и т. д.).

В соответствии с тремя вышеуказанными критериями (источник энергии, источник углерода, донор электронов) все микроорганизмы могут быть разделены на восемь физиологических групп (табл. 1).

Клетки микроорганизмов не могут существовать без кислорода. Основным источником кислорода является вода. Кроме того, он содержится в СО₂ и многих органических соединениях. Многим микроорганизмам помимо этого необходим молекулярный кислород. Главная функция О₂ состоит в том, что он служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании; при этом он восстанавливается до воды. По отношению к молекулярному кислороду все бактерии можно разделить на несколько физиологических групп:

1) облигатные аэробы – бактерии, способные получать энергию только путем аэробного дыхания и поэтому нуждающиеся в О₂. Среди них следует выделить микроаэрофилы – бактерии, которые нуждаются в О₂ для получения энергии, но растут только при низком его содержании в среде (2–5 %), т. е. более низком, чем содержание кислорода в атмосфере (21 %);

Таблица 1. Классификация бактерий по типам питания

Тип питания	Источник энергии	Донор электронов	Источник углерода	Представители
Хемолито-автотрофия	Окислительно-восстано-вительные реакции	Неоргани-ческие вещества	СО2	Нитрифицирующие, тионовые, водородные бактерии, железобактерии
Хемолитоге-теротрофия	» »	» »	Органические вещества	Метаногенные, сульфатредуцирующие бактерии
Хемооргано-автотрофия	» »	Органические вещества	СО2	Факультативные метилотрофные бактерии
Хемооргано-гетеротрофия	» »	» »	Органические вещества	Большинство бактерий (энтеробактерии, молочнокислые бактерии, маслянокислые бактерии и др.)
Фотолитоав-тотрофия	Солнечный свет	Неоргани-ческие вещества	СО2	Некоторые виды пурпурных и зеленых бактерий, цианобактерий
Фотолитоге-теротрофия	» »	» »	Органические вещества	Некоторые виды пурпурных и зеленых бактерий
Фотооргано-автотрофия	» »	Органические вещества	СО2	Некоторые виды пурпурных бактерий
Фотооргано-гетеротрофия	» »	» »	Органические вещества	Некоторые виды пурпурных и зеленых бактерий, цианобактерий, галобактерий

2) факультативные анаэробы – бактерии, способные расти как в присутствии, так и в отсутствии О₂. Они могут переключать свой энергетический метаболизм с аэробного дыхания (в присутствии О₂) на брожение или анаэробное дыхание (в отсутствии О₂). Среди факультативных анаэробов следует выделить аэротолерантные бактерии, которые могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не способны его использовать в качестве акцепторов электронов, получая энергию исключительно с помощью брожения;

3) облигатные анаэробы – могут расти только в среде, лишенной молекулярного кислорода, поскольку он токсичен для них.

Токсичность молекулярного кислорода для анаэробных бактерий связана с отсутствием в их клетках механизмов, обеспечивающих детоксикацию сильных окислителей, которые образуются в его присутствии в процессе развития.

Установлено, что окисление флавопротеинов или других доноров электронов, а также радиация приводят к восстановлению О₂, сопровождаемому образованием супероксид-радикалов и пероксид-анионов, которые легко связывают протоны и переходят в пероксид водорода (Н₂О₂). В ходе последующих перестроек формируются также очень токсичные гидроксил-радикалы. Все эти формы являются сильными окислителями, способными окислять сульфгидрильные группы ферментов, приводя к их инактивации, а также вызывать повреждения в молекулах ДНК.

Многие клетки синтезируют ферменты каталазу и пероксидазу, защищающие их содержимое от токсичного действия радикалов кислорода:

Каталаза

2 Н₂О₂ 2Н₂О + О₂

Пероксидаза

Н₂О₂ + НАДH 2Н₂О + НАД⁺

Супероксиды разлагаются под действием супероксиддисмутазы:

Супероксиддисмутаза

+ 2Н⁺ Н₂О₂ + О₂

Каталаза и супероксиддисмутаза обычно обнаруживаются в клетках аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов и обеспечивают им защиту от токсичного действия активных форм кислорода. Микроаэрофилы могут иметь либо не иметь каталазу (это видоспецифичный признак, используемый в систематике), но обычно содержат супероксиддисмутазу. В противоположность им облигатные анаэробы обычно не синтезируют данные ферменты или образуют их в малых количествах. Поэтому они не способны к детоксикации радикалов кислорода и не могут развиваться в его присутствии.

Одним из основных элементов, из которых построены клетки микроорганизмов, является азот. В расчете на сухое вещество его содержание в клетке составляет около 10 %. В природе азот встречается в форме окисленных и восстановленных соединений, а также в виде молекулярного азота атмосферы. Большинство прокариот потребляют азот в восстановленной форме в виде солей аммония (NH₄⁺) и аммиака (NH₃). Многие бактерии используют органические азотсодержащие вещества – белки, аминокислоты, мочевину, разрушая их с выделением аммиака. Окисленные формы азота – нитраты ( ) и нитриты ( ) – также могут усваиваться различными группами бактерий. Некоторые бактерии способны использовать атмосферный азот. Это уникальное свойство характерно для азотфиксирующих микроорганизмов. Среди них выделяют как свободноживущие (бактерии родов Azotobacter, Azomonas, Beijerinсkia, Derxia, Azospirillum, некоторые виды родов Clostridium, Klebsiella, Pseudomonas, некоторые цианобактерии, пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии и др.), так и симбиотические (бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Frankia, некоторые виды родов Chromatium, Klebsiella, некоторые цианобактерии и др.). В процессе биологической фиксации молекулярный азот восстанавливается до аммиака. Азотфиксирующие бактерии обеспечивают один из необходимых этапов в круговороте азота в природе.

Микроорганизмам для осуществления жизнедеятельности требуется также в относительно больших количествах железо. Оно входит в состав гемов, FeS-центров и активных центров многих ферментов. Однако, несмотря на достаточно широкое распространение железа в земной коре (по степени распространения является четвертым элементом после кислорода, кремния и алюминия), оно не относится к числу легкодоступных веществ. В аэробных условиях железо присутствует в среде в окисленной форме, Fe³⁺, образуя практически нерастворимые гидраты оксида железа FeО(ОН), карбонат железа Fe₂(СО₃)₃ и магнетит Fe₃О₄. Эти соединения растворимы только при крайне низких значениях рН. Поэтому большинство аэробных микроорганизмов для поглощения железа синтезируют и секретируют в среду сидерофоры – органические соединения, образующие хелаты с Fe³⁺. Далее в виде комплексов с сидерофорами железо поглощается микробными клетками. Поглощение железа микроорганизмами в аэробных условиях – сложный, строго регулируемый процесс, включающий несколько стадий: 1) синтез сидерофоров; 2) выделение сидерофоров из клетки; 3) транспорт хелатных комплексов Fe³⁺ с сидерофорами в клетку; 4) высвобождение Fe³⁺ из хелатного комплекса и восстановление до Fe²⁺ и 5) включение Fe²⁺ в состав коферментов и простетических групп. Поглощение Fe³⁺ подробно исследовано у бактерий E.coli, которые способны синтезировать сидерофоры трех типов: 1) производные катехола; 2) производные гидроксаматов; 3) дикарбоновые и трикарбоновые кислоты. Для прохождения крупных молекул сидерофоров через наружную мембрану бактерий E. coli нужны рецепторные белки (белки порины не обеспечивают проникновение сидерофоров в периплазматическое пространство). Хелатные комплексы сидерофоров c Fe³⁺связываются с этими рецепторными белками и проникают через наружную мембрану в периплазматическое пространство, используя энергию электрохимического потенциала цитоплазматической мембраны. Далее в периплазматическом пространстве они взаимодействуют со связующими белками, которые передают хелатные комплексы на гидрофобные транспортные белки цитоплазматической мембраны. Перенос Fe³⁺, связанного с сидерофором, через цитоплазматическую мембрану требует затраты АТФ. Высвобождение железа из комплекса с сидерофорами происходит путем его восстановления либо путем ферментативного гидролиза сидерофора.

В анаэробных условиях железо не является лимитирующим рост элементом, присутствуя в форме Fe²⁺, хорошо растворимой и в отсутствие кислорода довольно устойчивой. Потребление клетками железа в этой форме обеспечивают обычные транспортные системы.