Какие типы питания характерны для бактерий

Многообразие типов питания, присущего бактериям

Питание позволяет клеточным организмам восполнять запасы энергии и необходимых веществ, которые расходуются в процессе жизнедеятельности. Все типы питания, известные современной науке, присутствуют у бактерий.

Обмен веществ (метаболизм) разных живых организмов имеет сходные механизмы, но у микробов есть ряд особенностей:

1. Благодаря высокой интенсивности метаболизма вес перерабатываемых веществ в 30-40 раз больше веса самого микроорганизма.
2. В питании участвует вся поверхность клетки.
3. Пища перерабатывается выделяемыми ферментами снаружи, а внутрь клетки поступают образовавшиеся после этого более простые соединения.
4. Чрезвычайно высокая адаптация к изменяющейся среде обитания.

Бактерии делятся на группы в зависимости от признака, по которому производится классификация:

1. По используемому источнику энергии:
   • фототрофы – энергия солнечного света;
   • хемотрофы – энергия окислительно-восстановительных реакций.
2. По типу соединения, служащего донором электронов:
   • органотрофы – органические вещества;
   • литотрофы – неорганические вещества.
3. По источнику углерода:
   • автотрофы – углекислый газ;
   • гетеротрофы – органические вещества.

Фототрофы

К этой группе относятся бактерии, использующие для синтеза органики энергию света, которая преобразуется с помощью фотосинтетических пигментов. Такими пигментами могут быть:

В первом случае фотосинтез происходит с выделением кислорода. Такой процесс называется оксигенным или кислородным фотосинтезом. Он наблюдается у цианобактерий (Cyanobacteria).

Во втором случае используется пигмент, относящийся к хлорофиллам, но реагирующий на свет с другой длиной волны, который не могут поглощать ни растения, ни водоросли, ни цианобактерии. При этом выделение кислорода не происходит (аноксигенный или бескислородный фотосинтез). Примером могут служить пурпурные (Purple bacteria), зеленые (Chlorobiaceae) и гелиобактерии (Heliobacteriaceae).

Существует теория, что для фотосинтеза могут быть использованы и другие источники света. Так, обнаруженный в окрестностях подводного термального источника вид GSB1, относящийся к серобактериям (Chlorobiaceae), обитает на глубине более двух километров, куда не проникает солнечный свет. Предполагается, что бактериохлорофилл этого вида поглощает длинные световые волны термального источника.

Хемотрофы

Этот тип микробов использует энергию окислительно-восстановительных реакций. Это наиболее многочисленная группа бактерий, к которой кроме других относится большинство почвенных и болезнетворных микробов.

Суть процесса состоит в поэтапном окислении органических или неорганических веществ, сопровождающемся выделением энергии. Химические реакции могут быть двух видов: аэробными, с обязательным присутствием кислорода или анаэробными, то есть бескислородными. Процессы первого типа принято называть дыханием, а второго – брожением.

Хемотрофы являются единственными живыми организмами Земли, которые не зависят от энергии света Солнца.

Органотрофы и литотрофы

Питание позволяет бактерии восполнить запас электронов, необходимых ей для многих клеточных процессов. При всем многообразии веществ, которые могут быть донорами электронов, микробы делятся на две группы:

Органотрофы окисляют органику. Донорами выступают молекулы аминокислот, жиров, сахаров (чаще всего – глюкозы). После окисления молекулы могут распадаться, образуя более простые устойчивые соединения. К органотрофам, в частности, относятся бактерии гниения.

Донорами электронов для литотрофов выступают неорганические соединения. Так, в процессе питания литотрофы могут повышать валентность металлов, окислять аммиак до нитритов или азота, нитриты – до нитратов, сульфид – до серы, серу – до сульфата, фосфит – до фосфата, угарный газ – до углекислого и т.д.

Автотрофы и гетеротрофы

Важнейшим химическим элементом, необходимым клетке, является углерод. В зависимости от источника его получения бактерии делятся на два типа – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы способны усваивать его из углекислого газа. Синтез белков, жиров и углеводов происходит на основе неорганических элементов. К этой группе, в частности, относятся многие почвенные микробы и цианобактерии. Автотрофы – это первичные производители органики, и они являются начальным звеном многих цепочек питания.

Гетеротрофы получают углерод из готовых органических соединений. Среди них выделяют паразитов (паратрофов) и сапрофитов (сапротрофов). Паразиты питаются органическими веществами, произведенными другими живыми существами. Сапрофиты – это микробы гниения, разлагающие мертвую органику. Большая их часть относится к почвенным бактериям.

Лишь малая часть микроорганизмов, в частности, хламидии (Chlamydia) и риккетсии (Rickettsia), являются строгими (облигатными) паразитами, которые способны жить только в организме хозяина. Остальные паратрофы могут обитать вне его, переходить на гнилостное питание.

Деление на автотрофов и гетеротрофов используется и для определения источника других необходимых для бактерий химических элементов – азота, фосфора, калия, магния и т.д. Так, одни почвенные бактерии в процессе питания усваивают атмосферный азот, другие окисляют аммиак, выделяющийся в процессе гниения, до нитратов, третьи окисляют нитриты до нитратов.

Полная классификация

Сочетание признаков рассмотренных выше классификаций описывает все возможные типы питания:

1. Хемоорганоавтотрофы. Окисляют трудноусваиваемые вещества. Например, некоторые представители аминобактерий (Aminobacter), метилобактерий (Methylobacterium), флавобактерий (Flavobacterium), псевдомонад (Pseudomonas).
2. Хемоорганогетеротрофы. Большинство видов бактерий.
3. Хемолитоавтотрофы. Водородные, нитрифицирующие, серо-, железобактерии.
4. Хемолитогетеротрофы. Некоторые водородные бактерии.
5. Фотоорганоавтотрофы. Довольно редкий механизм питания, при котором окисляются неусваиваемые вещества. Встречается у некоторых пурпурных бактерий.
6. Фотоорганогетеротрофы. Часть пурпурных и цианобактерий.
7. Фотолитоавтотрофы. Некоторые зеленые, пурпурные и цианобактерии.
8. Фотолитогетеротрофы. Гелиобактерии, часть пурпурных, зеленых и цианобактерий.

Кроме того, часть бактерий относят к миксотрофному типу. Они могут одновременно использовать различные типы питания. Так, представитель родобактерий (Rhodobacteraceae) паракоккпантотропус (Paracoccus pantotrophus) обладает органогетеротрофным и литоавтотрофным типом питания. А цианобактерии не только синтезируют органику фототрофным путем, но и могут потреблять готовые органические вещества, разлагая их до неорганических.

Зависимость развития бактерий от питания

Рост и развитие бактерий напрямую зависят не только от внешних условий среды, но во многом и от питания. Обычно это происходит по следующей схеме:

1. При попадании микробов в питательную среду происходит их адаптация к пище и рост клеток. Популяция не увеличивается.
2. Резкий рост численности популяции за счет деления клеток.
3. Баланс между количеством новых и погибших клеток – относительная стабильность популяции.
4. Сокращение численности бактерий по мере обеднения среды и накопления в ней продуктов обмена.

Если на третьей стадии обеспечивать постоянное пополнение питательных веществ и отвод продуктов метаболизма, то получится так называемая непрерывная культура. Ее широко используют в микробиологии.

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.

Питание бактерий

Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в высокой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников углерода для питания бактерии делятся на аутотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища), использующие для построения своих клеток диоксид углерода СО₂ и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч. heteros – другой, trophe – пища), питающиеся за счет готовых органических соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др.

Гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружающей среде, называются сапрофитами. Гетеротрофы, вызывающие заболевания у человека или животных, относят к патогенным и условно-патогенным. Среди патогенных микроорганизмов встречаются облигатные и факультативные паразиты (от греч. parasites – нахлебник). Облигатные паразиты способны существовать только внутри клетки, например риккетсии, вирусы и некоторые простейшие.

В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода, микроорганизмы делят на две группы. Микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода неорганические соединения, называют литотрофны-ми (от греч. lithos – камень), а микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода органические соединения, – органотрофами.

Учитывая источник энергии, среди бактерий различают фототрофы, т.е. фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.

Факторы роста. Микроорганизмам для роста на питательных средах необходимы определенные дополнительные компоненты, которые получили название факторов роста. Факторы роста – необходимые для микроорганизмов соединения, которые они сами синтезировать не могут, поэтому их необходимо добавлят в питательные среды. Среди факторов роста различают: аминокислоты, необходимые для построения белков; пурины и пиримидины, которые требуются для образования нуклеиновых кис лот; витамины, входящие в состав некоторых ферментов. Для обозначения отношения микроорганизмов к факторам роста используют термины «ауксотрофы» и «прототрофы». Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения. Они способны синтезировать компоненты из глюкозы и солей аммония.

Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, рН среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку: это простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку – простая диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества проходят через липид-ную часть цитоплазматической мембраны (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии.

Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или передает другому компоненту цитоплазматической мембраны – собственно переносчику.

Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза которых – цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются от более высокой концентрации к более низкой.

Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против течения, поэтому данный процесс сопровождается затратой метаболической энергии (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.

Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется. Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем-ферменты бактерий. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты), вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Ферменты являются белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е. метаболизма. Многие ферменты взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки; ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.

Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты (пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную функцию.

Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К конститутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, р-галактозидаза кишечной палочкой на среде с глюкозой практически не образуется, но её синтез резко увеличивается при выращивании на среде с лактозой или другим р-галактозидозом.

Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микроорганизмов и их токсинов. К таким ферментам относят гиалуронидазу, коллаге-назу, дезоксирибонуклеазу, нейраминидазу, лецитовителлазу и др. Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов.

Известно более 2000 ферментов. Они объединены в шесть классов: оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы и др.); трансферазы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим; гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, т.е. расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глкжозидазы и др.); лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.); изомеразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексои-зомераза и др.); лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза, глю-таминсинтетаза и др.).

Различия в ферментном составе используются для идентификации микроорганизмов, так как они определяют их различные биохимические свойства: сахаролитические (расщепление сахаров), протеолитические (разложение белков) и другие, выявляемые по конечным продуктам расщепления (образование щелочей, кислот, сероводорода, аммиака и др.).

Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных соединений, уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в качестве биодобавок в стиральные порошки («Ока» и др.) для уничтожения загрязнений белковой природы.

Какие типы питания характерны для бактерий

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработка токсинов, могут осуществляться только при постоянном притоке энергии.

В процессе питания организм получает вещества, необходимые для синтеза клеточных структур и являющиеся источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Характерными особенностями питания микробов являются поступление питательных веществ внутрь клетки через всю ее поверхность и высокая скорость процесса обмена веществ.

Клеточная стенка и ЦПМ микроорганизмов непроницаемы для многих высокомолекулярных веществ (полисахаридов, липидов, белков и др.), в связи с чем эти вещества вначале расщепляются экзоферментами, выделяемыми клетками во внешнюю среду, на более простые соединения (моно- и дисахариды, аминокислоты, органические кислоты, глицерин и т. д.). Такой процесс, свойственный только микроорганизмам, называется внешним перевариванием.

Питательные среды, на которых культивируют микроорганизмы в лабораторных и производственных условиях, должны отвечать следующим минимальным требованиям:

• в них должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка;

• они должны быть в такой форме, в которой микроорганизмы способны их усваивать;

• они должны иметь оптимальное значение pH;

• среды должны быть стерильными.

Питательные среды различаются по консистенции, составу и назначению.

По консистенции различают жидкие, плотные и полужидкие среды. Плотные и полужидкие готовят путем добавления к жидким средам агар-агара или желатина. Для изготовления плотной среды в жидкую вносят обычно 1,5—2,0 % агар-агара, для полужидкой — 0,2—0,5 %.

Состав питательных сред определяется пищевыми потребностями микроорганизмов. В зависимости от состава исходных компонентов различают среды натуральные, синтетические и полусинтетические.

Натуральные среды состоят из естественных субстратов (мяса, молока, овощей и т. д.). К натуральным средам относятся мясопептонный бульон, гидролизованное молоко, пивное сусло, дрожжевой экстракт, настой сена, картофельная среда и др. Расшифровать химический состав таких сред довольно сложно. Молочнокислые бактерии очень требовательны к источникам питания, поэтому их выращивают в молоке, гидролизованном молоке, молочной сыворотке, пивном сусле, специально разработанных средах.

Синтетической называют среду, составленную из известных химических соединений в определенных количествах. Кишечная палочка неприхотлива в отношении питания, поэтому способна расти на синтетической среде достаточно простого состава.

Полусинтетические среды содержат как известные компоненты, так и субстраты неопределенного состава. Например, в синтетическую среду вносят дрожжевой автолизат или мясопептонный бульон.

По назначению различают элективные и дифференциально-диагностические среды.

Элективные среды используют для выделения отдельных групп микроорганизмов из мест их естественного обитания.

Дифференциально-диагностические среды используют для быстрой индикации микроорганизмов на основе их характерных признаков.

Потребности микроорганизмов в питательных веществах. Исходя из химического состава микроорганизмов, для биосинтеза основных макромолекул клетка должна получать вещества, содержащие макроэлементы С, О, Н, N , S , Р, Са, Fe , Mg и микроэлементы М n , Со, Мо, С u , Zn и др. Макроэлементы требуются в сравнительно больших количествах, от 0,2 до 0,5 г/л, тогда как микроэлементы нужны в очень низких концентрациях — от 0,1 до 0,001 мг/л. Минеральные вещества участвуют в регуляции осмотического давления в клетке, pH и E_h среды. Основной функцией микроэлементов является активация различных ферментов.

Среди всех вышеуказанных элементов наибольшее значение в питании микроорганизмов имеет углерод. В зависимости от используемого источника углерода микроорганизмы делятся на: аутотрофы (от греч. autos — сам, t гор he — пища), использующие для конструктивных целей С O ₂, и гетеротрофы (от греч. heteros — другой), потребляющие углерод из органических соединений.

Наибольшая степень гетеротрофности присуща микроорганизмам, являющимся облигатными или факультативными паразитами (от греч. parasitos — нахлебник). К факультативным гетеротрофным паразитам относятся патогенные бактерии, вызывающие инфекционные заболевания у человека, животных и растений; к облигатным, способным существовать только внутри клетки хозяина, относятся риккетсии, хламидии, вирусы, некоторые простейшие.

Следующую крупную группу гетеротрофов составляют сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение), использующие для своего питания разлагающиеся растительные или животные ткани. К сапрофитам относится большинство бактерий и микромицетов.

Для многих гетеротрофов оптимальным и наиболее доступным органическим источником углерода являются углеводы. Особенно широко они используют моносахариды — гексозы и пентозы. Некоторые группы микроорганизмов способны использовать в качестве источника углерода органические кислоты, первичные спирты, циклические соединения и др.

Азот и сера входят в состав органических соединений клетки в виде аминогрупп и сульфгидрильных групп аминокислот. Некоторые бактерии поглощают эти два элемента в окисленном состоянии — в форме нитратов и сульфатов. Поэтому они сначала восстанавливаются, а затем уже используются в процессах биосинтеза. Большинство бактерий используют азот в восстановленной форме в виде аминокислот, мочевины. Источником серы могут служить сульфиды или серосодержащие аминокислоты (например, цистеин).

Факторы роста — это вещества, которые не синтезируются многими бактериями, но необходимы им для построения органических компонентов клетки. Поэтому они должны присутствовать в питательной среде для выращивания микроорганизмов. К факторам роста относятся:

• аминокислоты, которые нужны для синтеза белков;

• пурины и пиримидины, используемые для синтеза нуклеиновых кислот;

• витамины, являющиеся простетическими группами или активными центрами некоторых ферментов.

Микроорганизмы, нуждающиеся в факторах роста, называют ауксотрофами. Микроорганизмы, которые сами синтезируют необходимые им факторы роста, называют прототрофами.

9.2.1. Типы питания микроорганизмов

Подразделение микроорганизмов на два основных типа — автотрофы и гетеротрофы — оказалось явно недостаточным, чтобы отразить все многообразие пищевых и энергетических потребностей микроорганизмов. Поэтому классификация микроорганизмов по типам питания включает такие основные критерии, как источник углерода, источник энергии и донор электронов. На основе вышеуказанных критериев все микроорганизмы можно разделить на четыре группы (табл. 6).

Таблица 6. Классификация микроорганизмов по типам питания

Источники:

http://probakterii.ru/prokaryotes/vital-functions/tipy-pitanija-bakterij.html
http://studopedia.ru/10_129795_pitanie-bakteriy.html
http://lifelib.info/microbiology/microbiology_1/28.html