Источники питания

Развитие микроорганизмов, а именно их рост и размножение, контролируются определенными условиями и в первую очередь питательными веществами, из которых микроорганизмы синтезируют метаболиты, необходимые для жизнедеятельности.

Как и все живые существа, микроорганизмы нуждаются в важнейших биогенных элементах – углероде, азоте, кислороде и водороде, во многих макро- и микроэлементах, а также в витаминах, главным образом группы В.

Источники питания (факторы роста), необходимые для микроорганизмов, делятся на 4 группы:

• вещества, содержащие органогены (углерод, водород, кислород и азот), используемые ими для построения белков, жиров и углеводов;

• вещества, содержащие элементы (фосфор, калий, сера, магний), необходимые в меньшем количестве, но используемые ими в реакциях обмена;

• источники микроэлементов (марганца, железа, серебра, рубидия, ванадия и др.);

• органические вещества, в частности витамины.

Важнейший фактор роста и развития микроорганизмов – азот. Этот элемент необходим им для синтеза белков, нуклеиновых кислот, азотсодержащих полимеров клеточной стенки. Его содержание в бактериальных клетках и клетках грибов приблизительно одинаково: соответственно 12 и 10 % в абсолютно сухом веществе.

Микроорганизмы способны использовать многие источники азота, как неорганической, так и органической природы. Часть микроорганизмов использует в качестве фактора роста азот белков, часть – азот их мономеров – аминокислот.

По отношению к источникам углерода микроорганизмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Первые получают этот биогенный элемент из СО₂ и карбонатов, вторые – из углеродсодержащих органических соединений. В свою очередь гетеротрофы подразделяются на сапротрофов и паразитов. Сапротрофы получают углерод из мертвых органических веществ растительного и животного происхождения, в том числе и из продуктов питания. Паразиты же питаются веществами живых организмов и используют их энергию.

Кислород – жизненно необходимый элемент питания для многих микроорганизмов, но для некоторых из них он губителен, так как разрушает их ферментативные системы. По отношению к кислороду микроорганизмы делятся на 4 основные группы:

Облигатные (обязательные) аэробы, к которым относится большинство прокариотов и нормальный рост которых в среде обитания возможен при содержании кислорода не менее 40–50 %. Они не способны получать энергию путем брожения. Для осуществления обменных процессов эти микроорганизмы нуждаются в молекулярном О₂, поэтому их ферменты осуществляют перенос электронов от окисляемого субстрата к кислороду. Как правило, облигатные аэробы развиваются на поверхности питательных сред. К ним относятся микрококки, B. subtilis и др.

Микроаэрофилы довольствуются незначительным содержанием О₂ в среде обитания (~2 %).

Облигатные анаэробы вообще не нуждаются в молекулярном О₂­­, так как он для них токсичен. Ферментативные системы таких бактерий денатурируют при контакте с молекулярным кислородом, что обусловлено образованием в их клетках перекиси водорода и перекисных соединений, которые в больших концентрациях ядовиты для микроорганизмов. Облигатные анаэробы погибают при концентрации Н₂О₂ 0,0003 %, тогда как аэробы способны выдерживать до 0,015 %, то есть в 50 раз больше, что связано с образованием в клетках последних фермента каталазы, разлагающей перекись на воду и молекулярный кислород. Среди облигатных анаэробных бактерий – представители рода Clostridium, широко представленные в почве (возбудители опасных болезней человека – C. tetani – столбняка, C. botulinum – ботулизма, C. perfringens – газовой гангрены). Следует отметить, что некоторые микроорганизмы не способны переносить даже остаточные количества молекулярного кислорода в среде обитания. К таковым относятся метановые бактерии и фузобактерии.

Факультативные анаэробы могут жить как при наличии, так и при отсутствии кислорода. Типичными представителями этой группы являются стрептококки, стафилококки, кишечная палочка. Так, кишечная палочка на среде с углеводами развивается как анаэроб, сбраживая сахара, а затем начинает использовать кислород как типичный аэробный организм, окисляя до СО₂ и Н₂О образовавшиеся продукты брожения.

Многие микроорганизмы нуждаются в обязательном присутствии таких элементов, как калий и магний. Роль этих элементов заключается в активации ферментных систем микробных клеток. Обладателями мощных ферментативных систем являются грибы, поэтому им крайне необходимы как калий, так и магний. Среди таких грибов Aspergillus niger.

В среде обитания многих микроорганизмов должны присутствовать такие элементы, как фосфор и сера, поскольку первый входит в состав нуклеиновых кислот и принимает активное участие в процессах дыхания и брожения, а сера является компонентом белков, в состав которых входят серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин).

Железо – крайне важный микроэлемент, используемый микрофлорой в процессе дыхания, так как, входя в состав дыхательных ферментов, способствует ускорению окислительных процессов. Для осуществления процессов дыхания микроорганизмам также необходима медь.

Кобальт используется микроорганизмами в процессе синтеза витамина В₁₂, цинк же необходим им в процессах биосинтеза белка, так как принимает активное участие в формировании структуры ДНК.

Отдельные микроорганизмы нуждаются в наличии в среде обитания специфических микроэлементов. Так, дрожжевым грибам рода Candida для роста и развития необходим иод, а молочнокислым бактериям – марганец.

Вообще микроорганизмы, хотя и способны выживать в самых неблагоприятных условиях, предпочитают среды обитания со сбалансированным содержанием элементов. При их дефиците они могут погибнуть. В то же время экспериментальным путем было установлено, что при оптимальном содержании в среде обитания необходимых бактериальным клеткам элементов, они характеризуются постоянством соотношения Мg : К : РНК-нуклеотид : РО₄:

- для Грам⁺ – 1 : 13 : 5 : 13;

- для Грам^- – 1 : 4 : 5 : 8.

Как было отмечено выше, многим микроорганизмам для роста и развития необходимы готовые органические вещества. Среди них – жирорастворимый витамин К (он необходим для молочнокислых бактерий). Потребность микроорганизмов в других жирорастворимых витаминах (А, Д, Е) небольшая. Некоторые микроорганизмы, в частности, лактобактерии, нуждаются в наличии в среде обитания ненасыщенных жирных кислот – олеиновой, линолевой, линоленовой, арахидоновой, в то же время для жизнедеятельности микоплазм необходим холестерин. Из водорастворимых витаминов микроорганизмы используют в обменных процессах практически все витамины группы В, в том числе тиамин (В₁), рибофлавин (В₂) и др.; в аскорбиновой кислоте (витамин С) микроорганизмы не нуждаются. В связи с тем что многие микроорганизмы являются продуцентами многих витаминов, их потребляют другие микроорганизмы, не способные к такому синтезу. К активным продуцентам витаминов группы В, а также жирорастворимых витаминов Е и К относятся дрожжи.