Механизмы выживания бактерий в окружающей среде

Механизмы выживания бактерий в окружающей среде

55

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Оренбургский государственный аграрный университет

Факультет ветеринарной медицины и биотехнологии

Кафедра микробиологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по микробиологии на тему:

Механизмы выживания бактерий в окружающей среде

Работу выполнил:

студент III курса

специальности «Микробиология»

Акжигитов Абай Сарсенгалиевич

Научный руководитель:

доцент кафедры

Киргизова Светлана Борисовна

Оренбург - 2010

Содержание работы:

Введение

1. Механизмы выживания бактерий при низких температурах

2. Механизмы выживания бактерий при высоких температурах

2.1 Молекулярные механизмы термофилии

2.1.1 Особенность липидов и мембран

2.1.2 Термостабильность макромолекул

3. Механизмы выживания бактерий при экстремальных значениях рН

3.1 Основные механизмы выживания

4. Жизнь бактерий при высоких концентрациях солей, растворенных веществ и в условиях недостатка воды

5. Реакции бактерий на тяжелые металлы и токсичные вещества окружающей среде

6. Жизнь микроорганизмов в условиях интенсивного облучения

6.1 Защитные механизмы

6.1.1 Механизмы репарации ДНК

6.1.2 Механизмы резистентности Micrococcus radiodurans

7. Роль стрессосом как факторов выживания микроорганизмов

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Выяснение причин того, каким образом бактерии адаптируются к различным условиям окружающей среды, имеет очень важное значение для науки. Информация об этих процессах дала бы понимание основных механизмов выживания некоторых из наиболее устойчивых организмов на Земле. Разнообразные группы бактерий могут развиваться в условиях, не доступных, для других организмов.

Огромному разнообразию условий, представляемых биосферой бактериям, соответствует разнообразие их свойств и адаптаций. Обладая огромной численностью популяций и выработанными эволюцией механизмами изменчивости и диффузии генетических детерминаций, большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянного адаптационного движения в соответствии с постоянно изменяющимися условиями среды. Бактерии обладают весьма сложными и совершенными механизмами молекулярных адаптаций, о существовании которых еще относительно недавно нельзя было даже предположить.

Если рассматривать жизнь в окружающей среде, то очевидно, что природа может быть весьма враждебной, и что организмам приходится бороться за жизнь. Давно известно, что жизнь встречается в самых суровых условиях: в горячих источниках, которые нередко отличаются повышенной кислотностью; в соленых озерах и солеварнях; в источниках с повышенной кислотностью (например, в рудничных стоках), которые могут содержать также токсичные тяжелые металлы в высоких концентрациях; на сухих поверхностях скал и в пустынях; при температурах около точки замерзания воды и даже ниже ее.

Большой интерес к адаптации микроорганизмов к разнообразным условиям окружающей среды был вызван и долгое время поддерживался поисками жизни на других планетах. Ведь зная границы жизни на Земле, можно составить представление о физических и химических пределах, в которых жизнь могла возникнуть не только на нашей, но и на других планетах.

Изучение механизмов выживания бактерий также имеет очень важное значение для медицины, ветеринарии, фармакологии. Устойчивость микроорганизмов к различным факторам среды ставит вопрос о специальных, новых методах стерилизации и хранения продуктов, что играет важнейшую роль для пищевой промышленности. Таким образом, тема данной курсовой работы является весьма актуальной в настоящее время.

В данной курсовой работе речь будет идти об условиях окружающей среды, в границах которых способны существовать микроорганизмы, а также о механизмах, при помощи которых они выживают в этих условиях.

Цель работы: исследование молекулярных и морфологических механизмов выживания бактерий в различных условиях окружающей среды.

Предмет исследования: бактериальные микроорганизмы и механизмы их выживания.

Основные задачи:

1) изучить механизмы выживания бактерий в условиях низких и высоких температур;

2) рассмотреть механизмы выживания бактерий при экстремальных значениях рН;

3) дать описание механизмов выживания бактерий при высоких концентрациях солей и растворенных веществ;

4) описать защитные реакции бактерий на действие тяжелых металлов и токсичных веществ в окружающей среде;

5) подробно рассмотреть механизмы выживания бактерий в условиях интенсивного облучения;

6) сделать общее заключение по теме курсовой работы.

1. МЕХАНИЗМЫ ВЫЖИВАНИЯ БАКТЕРИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Действие температуры на рост микроорганизмов может быть обусловлено ее непосредственным влиянием на скорость химических реакций и на состояние макромолекулярных компонентов клетки (вязкость мембран, конформацию белков и т.д.). В отличие от теплокровных животных микроорганизмы не могут регулировать свою температуру. Их функциональная активность определяется температурой окружающей среды.

Для микроорганизмов, обитающих в холодных условиях, наиболее важно выжить в те периоды, когда физические и химические факторы окружающей среды препятствуют росту и обмену веществ. Микроорганизмы, растущие только в узкой области температур, могут выжить в условиях с весьма неустойчивыми температурными характеристиками лишь в том случае, если они обладают особым механизмом, который не дает им погибнуть при экстремальных температурах; таким механизмом может быть, например, образование спор или цист (Кашнер Д., 1981) .

При минимальной температуре и дальнейшем ее понижении микроорганизмы в основном не погибают и могут длительное время (например, до наступления теплого сезона) сохранять жизнеспособность. При пониженной температуре снижается не только скорость роста, но и скорость отмирания, и соответственно увеличивается выживаемость организмов. Микроорганизмы способны выжить в неустойчивых суровых условиях в состоянии, близком к анабиозу, например в сухих долинах Антарктики и зонах вечной мерзлоты, в течение тысячелетий.

Согласно современным представлениям, некоторые микроорганизмы способны развиваться при низкой температуре благодаря следующим особенностям:

1) клетки содержат ферменты, имеющие низкую температуру активации, и в связи с этим способные наиболее эффективно функционировать при низкой температуре; при температуре выше 30 °С данные ферменты прекращают свою деятельность;

2) проницаемость мембран несмотря на низкую температуру, остается высокой в связи с большим количеством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в липидах, в результате мембраны не замерзают;

3) не утрачивается свойство образовывать полисомы при низкой температуре (Лях С.П., 1976).

Приспособление к пониженной температуре проявляется в изменении состава мембран (в ней повышается содержание ненасыщенных жирных кислот) и синтезе криопротекторов (например, глицерола). Другой механизм связан с накоплением в клетках больших количеств наиболее важных ферментов, так что даже при неоптимальной температуре их функционирование позволяет клетке поддерживать достаточную активность.

Существуют автохтонные популяции микроорганизмов, которые отличаются низким, но постоянным уровнем активности и использованием для питания органических веществ, уже присутствующих в почве и зимогенные популяции, развивающиеся при поступлении в почву свежих соединений, которые они могут использовать. В устойчивых холодных условиях, например, встречаются представители автохтонной и зимогенной популяций. В холодных местообитаниях с неустойчивым температурным режимом, таких, как верхние слои атмосферы или некоторые полярные районы, где температура в разное время года может колебаться от --50 до 5°С, представлена преимущественно зимогенная популяция. В неустойчивых холодных условиях активность микроорганизмов проявляется только во время короткого периода «оттаивания» летом (в зависимости от температуры и доступности воды). По мере понижения температуры организмы должны переходить в такое физиологическое состояние, благодаря которому они остаются жизнеспособными, хотя и покоящимися, в течение всей зимы. Зимогенные бактериальные популяции в местах с постоянной низкой температурой, например в большинстве морских вод и осадков ниже термоклина, сохраняют способность к дыханию даже при температуре, при которой они не проявляют активности по другим показателям. Выживание этих организмов определяется иной совокупностью факторов по сравнению с активной микробной популяцией, существующей в суровых условиях. Автохтонную бактериальную популяцию можно отличить от зимогенной в холодных условиях с устойчивым температурным режимом на основании области температур их роста. В холодных условиях с неустойчивым режимом встречается только зимогенная популяция. Зимогенные бактерии обычно отличаются широкой областью температур роста, поскольку наиболее важным фактором для их выживания является эффективный вторичный метаболизм, который должен осуществляться при температурах ниже оптимума роста.

Хорошо известно, что бурный рост микроорганизмов в природе происходит в ответ на изменение тех или иных физических факторов, таких, как температура и степень влажности в неустойчивых условиях или состав и концентрация питательных веществ в устойчивых условиях. За периодом активного роста следует лаг-фаза, во время которой микроорганизмы осуществляют, по-видимому, процессы вторичного метаболизма, т. е. прекращают делиться и образуют синтетазы, превращающие первичные продукты обмена веществ во вторичные. Как правило, вторичные метаболиты не обладают биологической активностью; однако некоторые из них, например антибиотики и токсины, могут оказывать вторичный эффект, но обычно не на образующие их клетки, а на другие организмы. Длительное выживание бактериальных клеток связано с успешным протеканием вторичного метаболизма. Образование различных морфологических структур, например спор у Bacillus, удлинение «стебелька» у Caulobacter crescentus, образование кокковидных клеток у Arthrobacter и родственных организмов, а также возникновение цист у Azotobacter связаны с вторичным метаболизмом.

Установлено, что микроорганизмы выживают лучше всего, если вторичный метаболизм протекает в оптимальных условиях. Условия, оптимальные для вторичного метаболизма, всегда отличаются от оптимальных условий для роста и первичного метаболизма. В частности, оптимальная температура для вторичного метаболизма нередко бывает на 20°С ниже оптимума роста соответствующего организма и обычно лежит в сравнительно узком интервале 5--10°С. Следовательно, микроорганизмы должны иметь два четких температурных оптимума: один для роста, а другой для вторичного метаболизма; эффективное осуществление последнего обеспечивает выживание.

Микроорганизмы, выделенные из холодных местообитаний с весьма неустойчивым температурным режимом, являются психротрофами. Они способны расти при температурах на 20°С и более превышающих самую теплую температуру in situ. Выживание этих организмов при температурах ниже минимума их роста обусловлено процессами вторичного метаболизма, которые протекают при температуре на несколько градусов ниже температуры роста этих организмов in situ, и разница между температурами роста и замерзания не превышает 3--5°С. Вторичный метаболизм осуществляется перед самым замерзанием, в результате которого клетки переходят к состоянию покоя. Такой переход необходим, так как очевидно, что бактерии в логарифмической фазе роста более чувствительны к резким изменениям окружающих условий по сравнению с клетками в лаг-фазе.

Одно из очевидных преимуществ, которым обладают психротрофные бактерии в холодных условиях как с устойчивым, так и с неустойчивым режимом, заключается в том, что in situ при субоптимальных для этих бактерий температурах процессы первичного метаболизма протекают у них с очень низкой скоростью и, следовательно, более эффективно. Это особенно важно в связи с низким уровнем содержания питательных веществ в местах обитания в большинстве холодных районов, так как чрезмерно быстрый метаболизм привел бы к быстрому истощению имеющегося источника питания, что вызвало бы голодание клеток, а в дальнейшем - их гибель. Поэтому зимогенные бактерии в морях и океанах иногда не проявляют активности в столбе воды или осадках, так как они обычно находятся в морских микроусловиях, для которых характерно постоянное высокое содержание органических питательных веществ. Примерами таких микроусловий могут служить условия, существующие в кишечнике рыб и беспозвоночных, на поверхности микро- и макрофитных растений и животных, в слое воды на поверхности освещенной зоны и некоторых мелководных осадков

Психрофильные микроорганизмы чаще всего находят в морях. Практически все психрофилы представлены грамотрицательными палочковидными формами. Психрофилию грамотрицательных бактерий обычно рассматривают в связи с особыми свойствами их мембран. Это справедливо для тех психрофилов, максимальная температура роста которых равна 10-- 15°С. Тем не менее обнаружено множество грамположительных бактерий, которые либо соответствуют определению психрофилов, либо имеют максимальную температуру роста, лишь ненамного превышающую 20°С (Кашнер Д., 1981).

В местах с неустойчивой низкой температурой, например в Антарктике, грамотрицательные бактерии, а также грамположительные аэробные и анаэробные спорообразующие организмы встречаются редко. В районах с устойчивой низкой температурой среди бактерий преобладают грамотрицательные палочковидные формы, главным образом Pseudomonas, Vibrio и другие близкие им организмы, обладающие окислительной активностью.

Представители другого класса бактерий, которые распространены преимущественно в холодных условиях с неустойчивым температурным режимом, включают грамположительные кокки и палочки, относящиеся главным образом к родам Arthrobacter, Corynebacterium, Brevibacterium, Kurthia, Cellulomonas, а также родственные им организмы. Эти бактерии преобладают в антарктических и арктических почвах, озерах, ледниках, льду и снегу, а также в ледяных пещерах и в верхних слоях атмосферы. Эти организмы отличаются тем, что они способны существовать в очень суровых условиях окружающей среды.

Arthrobacter и родственные ему организмы отличаются тем, что они образуют кокковидные клетки во время стационарной фазы роста или в условиях голодания. Некоторые почвенные виды Arthrobacter способны выдерживать длительные периоды голодания in situ, чем и объясняется их широкое распространение в почвах при неустойчивых низких температурах. Один из видов Arthrobacter, обитающий в морях, имеет несколько температурных оптимумов в области роста примерно от 0 до 40°. Вблизи каждого температурного оптимума у этого вида возникают морфологические изменения. Arthrobacter crystallopoietes способен дольше существовать в условиях голодания, чем грамотрицательные бактерии. Длительное выживание этого вида объясняется его способностью к эндогенному метаболизму в отсутствие питательных веществ в окружающей среде.

Обнаружено, что Corynebacterium erythrogenes в отличие от морских психрофилов сохраняет жизнеспособность при температурах, на 3--5°С превышающих максимальную температуру роста.

Различные виды Bacillus сравнительно редко встречаются в полярных районах, так как они не могут прорастать после образования спор. Большинство бактерий этих видов растет при 25--30°С, но способно к спорообразованию при 0°С (Лях С.П., 1976).

2. МЕХАНИЗМЫ ВЫЖИВАНИЯ БАКТЕРИЙ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Из широкого набора воздействий, которые окружающая среда может оказывать на организмы, к числу наиболее экстремальных, несомненно, относится повышенная температура. С повышением температуры скорость роста микроорганизмов вначале увеличивается, достигая максимальной, но дальнейшее увеличение температуры ведет к необратимой инактивации клеточных компонентов, прежде всего денатурации белков и нуклеиновых кислот, и гибели клетки. Для большинства организмов характерен весьма незначительный интервал между оптимальной и максимальной температурами.

Для ученых представляет большой интерес изучение микроорганизмов, которые не только выживают, но и размножаются, часто облигатно, при температурах, препятствующих в норме существованию каких бы то ни было форм жизни, вследствие разрушения необходимых для них макромолекул.

Термофилия включает в себя множество молекулярных механизмов и не может быть объяснена каким-либо одним свойством организма. Многочисленные сравнительные физико-химические исследования белков термофильных показали различные механизмы выживания бактерий при высоких температурах (Логинова Л.Г., 1977).

2.1 Молекулярные механизмы термофилии

Возможность существования термофилов при высокой температуре обусловлена следующими особенностями:

1) составом липидных компонентов клеточных мембран, а именно высоким содержанием длинноцепочечных С17--С19 насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями;

2) высокой термостабильностью белков и ферментов (последние имеют низкую молекулярную массу и содержат значительное количество ионов кальция);

3) термостабильностью клеточных ультраструктур.

Метаболизм термофильных микроорганизмов соответствует их существованию при высоких температурах. В частности, ферменты отличаются не только высокой термостабильностью, но имеют оптимум активности при существенно более высокой температуре, чем их мезофильные аналоги. Несмотря на то что в целом первичная структура этих ферментов различается лишь немного, точечные аминокислотные замены значительно увеличивают термостабильность вторичной структуры. Термостабильность ДНК обеспечивается суперспирализацией, которая достигается действием специфического фермента -- обратной гиразы. Высокой термостабильностью отличаются также рибосомальный аппарат и цитоплазматические мембраны, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты. В состав мембран гипертермофильных архей вместо жирных кислот входят специфические липиды -- углеводородсодержащие бифитаниловые эфиры (Бухарин О.В., 2005).

2.1.1 Особенность липидов и мембран

Липиды термофильных организмов имеют более высокие температуры плавления, чем липиды нетермофильных. Верхний температурный предел роста бактерий определяется температурой плавления клеточных липидов. Возрастание процентного содержания насыщенных и разветвленных жирных кислот при повышении температуры выращивания микроорганизмов приводит к образованию более устойчивой клеточной мембраны. К главным липидным компонентам экстремальных термофилов относятся жирные кислоты, содержащие 17, 18 и 19 атомов углерода.

Липиды играют важную роль в молекулярном механизме термофилии, а их соединения с углеводами (гликолипиды) способствуют термостабильности мембран. Липиды мембран действуют как изоляторы, препятствующие переносу тепла из внешней среды и предотвращающие таким образом тепловую денатурацию растворимых ферментов.

Липидный состав термофилов зависит от температуры среды, и сохранение физического состояния липидов в мембране при изменении температуры обусловлено изменениями ее липидного состава.

Большой интерес представляет термофильный ацидофил Thermoplasma acidophilum. Термофилия этого организма, растущего при температуре 59°С, связана с наличием длинных изопреновых цепей липидов. Большая часть содержащихся в мембране нейтральных липидов этерифицирована жирными кислотами, а основная масса глико- и фосфолипидов состоит из длинных цепей с простыми эфирными связями. Аминокислотный состав мембранного белка характеризуется относительно низким уровнем заряженных аминокислот и довольно высоким содержанием остатков цистеина. Высокое содержание кислых аминокислот, является обязательным условием для его роста в термофильных условиях.

Большое количество данных о свойствах мембран и их регуляции собрано при изучении используемой в качестве модельной системы Escherichia coli. Обнаружено, что мембраны клеток Е. coli во многих отношениях напоминают мембраны термофильных организмов. Об этом говорят следующие особенности мембран E.coli: 1) соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, накапливающихся в результате подавления биосинтеза липидов, сильно зависит от температуры; например, фракция свободных жирных кислот из клеток, выращенных при 15°С, содержит в 10 раз больше ненасыщенных жирных кислот, чем фракция, полученная из клеток, выращенных при 43°С; 2) при повышении температуры липиды мембраны Е. coli обнаруживают фазовый переход из упорядоченного в неупорядоченное состояние; синтез мембран, содержащих менее одной трети нормального количества таких липидов, приводит к гибели клетки.

Термофилы способны контролировать физические свойства цитоплазматической мембраны, изменяя ее состав в ответ на изменение температуры. Однако этот общий механизм, действует также и у мезофила Е. coli. Таким образом, температурные границы оптимального функционирования мембраны, от которых, несомненно, зависит величина кардинальных температур роста организма, определяются характером химических модификаций веществ, входящих в состав мембраны. Как и в случае термостабильных по своей природе белков, найденных у облигатных и кальдоактивных бактерий, тонкий механизм (или механизмы), участвующий в стабилизации мембраны, остается пока неизвестным. Молекулярная основа регуляции фазового перехода липидов относится к одной из наиболее важных, но еще слабоизученных сторон функционирования мембраны.

2.1.2 Термостабильность макромолекул

Выделенные из термофильных организмов макромолекулы обнаруживают большую термостабильность, чем их аналоги из мезофилов. Такая повышенная термостабильность, свойственна всем макромолекулам клетки, включая ферменты главных метаболических путей, ферредоксин, рибосомы и флагеллин.

Большинство белков, выделенных из термофилов, относится к ферментам, которые гораздо более стабильны, чем их аналоги из мезофилов. Классическим примером служит фермент миокиназа, которая сохраняет активность после нагревания при температуре 100°С. У тетрамера авидина в присутствии биотина температура перехода в денатурированное состояние составляет 132°С. У фосфофруктокиназ С. pasteurianum и Е. coli температурный переход происходит приблизительно при 70 и 60°С соответственно. Таким образом, основное различие между белками мезофилов и термофилов заключается в том, что все белки термофилов должны функционировать при температурах развития этих организмов.

Определение температуры максимальной активности ферментов также указывает на их повышенную термостабильность, а потеря всей или большей части активности в результате превышения этой температуры на 10--15°С согласуется с представлением о денатурации белка.

Физико-химическая характеристика белков термофильных микроорганизмов показывает, что они во многом гомологичны соответствующим белкам мезофилов: термофильные белки имеют такое же содержание участков с альфа-спиральной конфигурацией и бета-структурой и такое же число гидрофобных групп, как и аналоги из мезофильных организмов. Но в отличие от белков мезофилов, которые обычно денатурируются при температуре ниже 60°С, термофильные белки при повышении температуры от комнатной до 55 или 60° претерпевают, небольшие конформационные изменения, не сопровождаемые денатурацией.

Страницы: 1, 2, 3