Психрофільні мікроорганізми та їх використання




Скачати 371,75 Kb.
Сторінка1/2
Дата конвертації02.09.2018
Розмір371,75 Kb.
  1   2
Реферат на тему:
«Психрофільні мікроорганізми та їх використання»

Вступ
В даному рефераті мова піде про психрофільні мікроорганізми, що широко представлені в тваринному світі. До них належать представники про – та еукаріотів, а також багато видів грибів, дріжджів та навіть комах і хребетних. В останні роки вплив даних мікроорганізмів широко вивчається оскільки область їх застосування досить різноманітна, від харчової промисловості до генної інженерії. Дослідженням даного питання займаються по всьому світу: в Індії, Росії, Японії, США, Канаді, Норвегії, Україні та інших країнах. Це пов’язано не тільки з науковою цікавістю, а насамперед, через можливість використання психрофільних організмів в умовах холодного, та помірного клімату, де температура опускається нижче 0 °С. Останні дослідження у галузі генетики виявили амінокислотні послідовності білків, що знаходяться і являються структурною складовою психрофілів та їх ферментів, що дозволяє проаналізувавши дану інформацію, виявити які конкретні гени відповідають за стійкість до досить низьких температур. Це в свою чергу призводить до використання таких особливостей в багатьох різних сферах, зокрема і в сільському господарстві, яке кожний рік зазнає втрат через морози. Також можливе використання можуть набути антибіотики виділені з психрофілів, так як вони ще не використовувались людьми, оскільки патогенні мікроорганізми не мали можливості пристосуватися оскільки вони раніше не були відомі, і виділяли їх вкрай рідкі види що зустрічаються тільки в Антарктиці.

Не дивлячись на важливість психрофільних організмів, вони вивчені вкрай недостатньо, оскільки сповільнене зростання робить їх незручними лабораторними об'єктами. Саме тому у даній роботі я намагатимусь дати уявлення про те якими особливостями вони володіють, і як ці особливості впливають на їх подальше застосування у сферах науки та техніки.



1. Основні чинники довкілля, що впливають на мікроорганізми. Вплив гідростатичного тиску
Вплив довкілля на живі організми включає ряд чинників, які обумовлюють фенотипічні особливості кожного виду і мікроорганізмів зокрема. До таких чинників відносяться:

  • Гідростатичний тиск

  • Сонячна активність

  • Значення рН

  • Кількість кисню

  • Температура


1.1 Вплив гідростатичного тиску
Бактерії відносно мало чутливі до зміни гідростатичного тиску. Підвищення тиску до деякої межі не позначається на швидкості росту звичайних наземних бактерій, але врешті-решт починає перешкоджати нормальному зростанню і діленню. Життєдіяльність деяких бактерій пригнічується вже при 100 атм, але підвищення тиску до 200 атм навіть стимулює зростання бактерій таких як Е. coli. Слід зазначити, що різні процеси клітинного метаболізму різною мірою чутливі до підвищення тиску. Проте при тиску в 400 атм Е.coli починає утворювати нитчасті клітини, зростання яких сповільнене. При тиску в 1000 атм за 48 ч гинуло 90% клітин, а через 5 – 7 діб спостерігали їх повну загибель.

Барофільні бактерії розвиваються краще при тиску вищому, ніж тиск на земній поверхні, причому оптимальні значення тиску для різних штамів неоднакові. Зниження тиску наводить до уповільнення зростання таких штамів і порушення процесів ділення. При цьому утворюються ниткоподібні клітини.

Баротолерантні та барофільні бактерії зазвичай психрофільні, оскільки температура в глибинах океану низька. Підвищення тиску, так само як пониження температури, знижує текучість ліпідного біошару мембран. У глибоководних бактерій збереження оптимальної текучості мембран забезпечується своєрідним жирнокислотним складом їх ліпідів. Ці ліпіди характеризуються значним вмістом (до 20%) довголанцюгових поліненасичених жирних кислот, причому при підвищенні тиску вміст цих кислот зростає.

Поліенові кислоти мають відносно низьку температуру плавлення і відповідно не замерзають при значному підвищенні тиску. У складі мембран більшості вивчених бактерій подібні жирні кислоти не зустрічаються. При тиску, який значно нижче атмосферного, життєздатність бактерій зазвичай не порушується, проте при падінні тиску неминуче зменшується вміст в середовищі О2, Н2, С02 і інших газоподібних речовин, що може значно впливати на зростання бактерій.

В умовах глибокого вакууму субстрат висихає і життя неможливе[1].
1.2 Вплив сонячної активності і освітлення
Істотним чинником, що впливає на фізичні умови проживання організмів на Землі, є сонячна активність. Її зміна впливає на інтенсивність електромагнітного випромінювання Сонця. Короткохвильове випромінювання майже повністю поглинається у верхніх шарах атмосфери, впливаючи на стан іоносфери Землі і на фонові електромагнітні поля на поверхні Землі. Встановлений непрямий вплив сонячної активності на взаємодію патогенних мікроорганізмів з їх господарями. Наприклад, прослідивши зв'язок між проходженням сонячних плям через центральний меридіан Сонця, посиленням південно-західних вітрів і частотою виявлення збудника чуми в Ілі-Карательському межиріччі виявлено, що викликані змінами сонячної активності північно-західні вітри приносять значне пониження температури повітря; це, у свою чергу, призводить до посилення процесів обміну речовин в організмі звірів і підвищує їх сприйнятливість до збудника чуми, поширеність якого відповідно збільшується. [1]

Сонце впливає не лише побічно, змінюючи клімат, але і прямо. Під дією потоків заряджених часток, що викидаються з Сонця під час сонячних бурь, змінюється магнітне поле Землі. Його зміна впливає безпосередньо на клітини рослин. Проникність клітинних мембран збільшується, а ефективність змінних процесів із зовнішнім середовищем зростає. Значить, в цей час є можливість інтенсивніше «забирати» потрібні живильні речовини. Залежно від сонячної активності змінюється і чисельність різних мікроорганізмів, таких як амоніфікуючі і нітрифікуючі бактерії. Інакше кажучи, сонячна активність сама «здобрює» грунт. [2]


1.3 Вплив значення рН
Кислотність середовища є важливим чинником, що визначає існування в ній прокаріотів. Концентрація іонів водню в довкіллі діє на організм безпосередньо або побічно, через вплив на іонний стан і доступність багатьох іонів і метаболітів. Так, наприклад, при низьких значеннях рН знижується розчинність вуглекислоти – джерела вуглецю для автотрофних прокаріот, а розчинність таких катіонів, як Cu2+, Mo2+, Mg2+, Ar+, зростає і досягає токсичних рівнів. Навпаки, при високих значеннях рН розчинність багатьох катіонів, необхідних клітині (Fe2+, Са2+, Mg2+, Mn2+), різко знижується, і вони стають недоступними для організму. Від значення рН залежить стан речовин в довкіллі. Багато органічних кислот в кислому середовищі знаходяться в недисоційованій формі і легко проникають в клітини, стаючи токсичними для неї.

Граничні розміри значень рН, оптимальні для зростання різних представників прокаріот, знаходяться в межах від 1 до 11. Залежно від відношення до кислотності середовища прокаріоти можуть бути розділені на декілька груп. Для зростання переважної більшості прокаріот оптимальним є середовище, близьке до нейтральної. Такі організми називають нейтрофілами. Проте зростання багатьох нейтрофілів можливе в середовищах, значення рН яких лежить в діапазоні від 4 до 9. Типовими нейтрофілами є штами Е.coli, Стsubtilis, Streptococcus faecalis. Багато нейтрофілів здатні зростати або виживати при значеннях рН, що лежать за межами вказаного діапазону. Такі прокаріоти вважаються кислото – або лужно-толерантними. До кислототривких відносяться багато бактерій, що продукують органічні кислоти, наприклад оцтовокислі, молочнокислі та ін. Лужнотолерантні, тобто стійкі до значень рН близьким до 9–10, багато з ентеробактерій.

У деяких видів бактерій адаптація до певних значень рН середовища призвела до того, що оптимальним рН для зростання перемістився в кислу (рН 4 і нижче) або лужну (рН від 9 і вище) області. Такі прокаріоти названі ацидо – або алкалофільними (кислото – або луго любивими) відповідно.

Здібність до зростання при низьких або високих значеннях рН забезпечує організму певні переваги, оскільки в цих умовах мала конкуренція з боку більшості інших організмів. Проте деякі бактерії – облігатні форми – не просто переносять високі концентрації Н+ або ОН-, але і потребують цих іонів для зростання і стабільності[1].


1.4 Вплив кількості кисню
Кисень широко поширений в природі, знаходячись як в зв'язаному, так і вільному стані. У першому випадку він входить до складу молекул води, органічних і неорганічних сполук. У другому – присутній в атмосфері у вигляді молекулярного кисню (О2), об'ємна доля якого складає 21%.

Кисень є обов'язковим хімічним компонентом будь-якої клітини. Переважна більшість організмів задовольняють свої потреби в цьому елементі, використовує обидві форми кисню. При вирощуванні Pseudomonas у присутності 18О2 і 18Н2О джерелом приблизно 10% кисню, що входить до складу клітинного матеріалу, служив газоподібний кисень, 50–60% клітинного кисню походило з води. Останній кисень в клітини поставляли органічні і неорганічні компоненти живильного середовища (глюкоза, фосфати, нітрати, сульфати і ін.).



Серед прокаріотів існують значні відмінності у відношенні до молекулярного кисню. За цією ознакою вони можуть бути розділені на декілька груп (рис. 1).

Рис. 1. Класифікація за споживанням кисню


Прокаріоти, для зростання яких О2 необхідний, називають облігатними аеробами. До них відносяться більшість прокаріотних організмів. Серед облігатних аеробів виявлені істотні відмінності у відношенні до рівня молекулярного кисню в середовищі. Деякі представники цієї групи не здатні до зростання при концентрації О2, рівній атмосферній, але можуть зростати, якщо вміст О2 в довкіллі буде значно нижчий (приблизно 2%). Такі облігатні й аеробні прокаріоти отримали назву мікроаерофілів.

Потреба прокаріотів у низькій концентрації О2 в довкіллі пов'язана з їх метаболічними особливостями. Багато аеробних азотфіксуючих бактерій можуть зростати в середовищі з молекулярним азотом лише при концентрації О2 нижче 2%, тобто як мікроаерофіли, а у присутності зв'язаного азоту, наприклад амонійного, – на повітрі. Це пояснюється дією молекулярного кисню, що інгібує, на активність нітрогенази – ферментного комплексу, відповідального за фіксацію N2.

Хоча облігатні анаеробні бактерії в цілому дуже чутливі до О2, вони можуть в природі знаходитися в аеробних зонах. Широке поширення представників роду Clostridium в місцях з високим парціальним тиском О2 пояснюється наявністю у них эндоспор, не чутливих до молекулярного кисню. Проте строго анаеробні прокаріоти виявлені в природі в місцях, де спостерігається активний розвиток облігатних аеробів. Ймовірно, спільний розвиток з облігатними аеробами, активно споживаючими молекулярний кисень, що призводить до утворення зон з низькою концентрацією О2, створює можливості і для розвитку строго анаеробних видів.

Існують прокариотні організми, які можуть зростати як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Вивчення цього явища показало, що природа його різна. Бактерії, що не потребують О2 (останній не бере участь в здійснюваних ними метаболічних реакціях), але здатні зростати в його присутності, є за типом здійснюваного ними метаболізму облігатними анаеробами, стійкими до О2 зовнішнього середовища. Прикладом таких організмів служать молочнокислі бактерії. Багато прокаріотів, що відносяться до цієї ж групи, пристосувалися залежно від наявності або відсутності О2 в середовищі перемикатися з одного метаболічного шляху на інший, наприклад з дихання на бродіння, і навпаки. Такі організми отримали назву факультативних анаеробів, або факультативних аеробів. Представниками цієї фізіологічної групи прокариот є ентеробактерії. У аеробних умовах вони отримують енергію в процесі дихання. У анаеробних умовах джерелом енергії для них служать процеси бродіння або анаеробного дихання.

Потреба в О2 в аеробів визначається його участю в енергетичних і конструктивних процесах. У першому випадку О2 служить обов'язковим кінцевим акцептором електронів, в другому – бере участь в реакціях на шляху багатоступінчастого перетворення клітинних метаболітів або екзогенних субстратів. В облігатних аеробів велика частина О2 використовується як кінцевий акцептор електронів в реакціях, цитохромоксидазами, що каталізують. Менша частина включається в молекули за допомогою ферментів, що отримали загальну назву оксигеназ. У клітинах факультативних анаеробів також містяться цитохромоксидази. В облігатних анаеробів немає ферментів, що каталізують взаємодію з О2. [3]
1.5 Вплив температури
Всі фізико-хімічні процеси, що забезпечують функціональну активність клітини, а також стан її макромолекул, більшою чи меншою мірою залежать від температури.

З підвищенням температури швидкість хімічних реакцій зростає, отже, швидкість росту мікроорганізму збільшується. Проте при високих значеннях температури білки, нуклеїнові кислоти і інші компоненти клітин можуть безповоротно інактивуватися, що призводить до її загибелі. При дуже низькій температурі також порушуються процеси біосинтезу, і зростання припиняється.

Для кожного організму існує мінімальна температура, нижче за яку зростання не спостерігається, як би довго не тривав період інкубації. Оптимальна температура, при якій організм зростає з найбільшою швидкістю, і максимальна температура, вище за яку зростання неможливе. Оптимальна температура завжди ближче до максимальної, ніж до мінімальної. Ці три температурні позначки, названі кардинальними, характерні для кожного виду або навіть штаму.

Значення кардинальних температур можуть декілька змінюватися під впливом різних чинників середовища, наприклад, при вирощуванні мікроорганізмів на різних живильних середовищах. В більшості випадків зростання бактерії відбувається в температурному інтервалі порядку 40 °С, але інколи ці рамки значно вужчі. Температурні інтервали, в яких можливе зростання бактерій в природі, широкі – від негативних до значень вище 100 °С. Значення кардинальних температур у різних бактерій вельми істотно розрізняються. По відношенню до температури бактерії ділять на мезофіли, термофіли і психрофіли.

Мезофіли достатньо поширені в природі, їх можна виявити в грунті, у воді помірних і тропічних широт, в організмі різних тварин і людини. Діапазон температур, в якому можливе зростання тих або інших форм мезофільних бактерій, різний, так само як всілякі значення їх кардинальних температур.

До термофільних відносять організми, які зростають при температурі вище 45–50 °С. Залежно від значень кардинальних температур серед термофільних бактерій розрізняють: облігатні термофіли, що мають температурний оптимум 65–70 °С і мінімум вище 40–42 °С, факультативні термофіли з температурним максимумом 50–65 і мінімумом менше 20 °С і термотолерантні бактерії з температурним максимумом 45–50 °С. Бактерії з температурним оптимумом вище 70 °С визначають як екстремально термофільні. Термотолерантні бактерії здатні переносити досить високу температуру без порушення нормального зростання. Вони відрізняються від термофільних, що віддають перевагу високим значенням температури, по характеру зміни швидкості росту при підвищенні температури культивування. [1] Психрофіли ж вимагають окремого розгляду.



2. Характеристика психрофілів
Область температур розмноження психрофілів лежить в межах від -10 до +20о С і вище. У свою чергу, психрофіли поділяються на облігатні та факультативні.

Основна відмінність між підгрупами полягає в тому, що облігатні психрофіли не здатні до зростання при температурі вище 20оС, а верхня температурна межа зростання факультативних форм набагато вища. Таким чином, факультативні психрофіли характеризуються ширшим температурним діапазоном, при якому можливе їх зростання. Якщо в області низьких температур вони схожі з облігатними формами, то в області підвищених температур володіють здатністю розмножуватися в значно вищих температурних межах. Розрізняються вони також і оптимальними температурними зонами зростання, що знаходяться в облігатних психрофілів значно нижче, ніж у факультативних.

Існування двох типів психрофілів пояснюється особливостями їх середовища існування. Облігатні психрофіли пристосувалися до стійких холодних умов (глибини морів та океанів, крижані печери). Психрофіли іншого типу пристосувалися до існування в нестійких холодних умовах. У природі більшість психрофілів представлена факультативними формами. Здатність психрофілів зростати в умовах низьких температур пов'язують в першу чергу з особливостями їх ферментних білків і мембранних ліпідів. Збільшення в останніх вмісту ненасичених жирних кислот дозволяє мембранам знаходитися у функціонально активному рідинно-кристалічному стані при низьких температурах. Обов'язкова умова можливості зростання психрофілів при мінусових температурах – знаходження води в рідкому стані.

Зростати при низькій температурі можуть також організми, що одержали назву психроактивних («психротрофних»). По суті це евритермні організми, що мають достатню активність при низькій температурі. Екофізіологічна відмінність між психрофілами і психроактивними організмами досить велика. Психрофіли існують в постійно холодних умовах, наприклад, в глибинах океану або глибоких водоймищах, де коливання температури дуже незначні. Психроактівні пристосовані до сезонних змін клімату, в теплий період вони накопичують біомасу, але продовжують зростати і в той час, коли активність інших пригнічена. Пристосування до пониження температури зв’язують із зміною складу мембран і із здатністю до створення криопротекторів. При знижених температурах знижується не лише швидкість росту, але і швидкість відмирання, і, відповідно, збільшується виживання. Інший механізм пов'язаний з підвищеним синтезом ключових ферментів що мають вищий температурний оптимум, але лише завдячуючи накопиченню тих, що зберігають достатню для функціонування клітин активність. Серед психрофілів багато протистів і багатоклітинних [4].

Психрофілія не є властивістю якийсь конкретною систематичної групи. Важливими первинними продуцентами в таких умовах, мабуть, служать еукаритичні водорості. Так «снігова» зелена водорость Chamydomonas nivalis, вегетативні клітини якої забарвлені в зелений колір, а спори в червоний колір утворює рожеві нальоти на поверхні снігу і льоду. У покритих льодом водах Антарктики виявлено діатомові і зелені водорості.

Багато психрофілів є грамнегативними бактеріями і їх представники виявлені серед родів Vibriо, Рseudomonas Асhrоmоbасtеr, Flavobacterium, Cytophaga. Серед грамнегативних бактерій психрофіли описані у видів роду Clostridium.

Психрофіли широко поширені в природі, оскільки вони формують постійну мікрофлору регіонів вічного холоду, полярних регіонів і океанів, які займають14 і 71% поверхонь Землі відповідно.

В даний час психрофіли знайдені в південній частині Антарктиди і гірських льодовиках Арктики. Океани також є природним середовищем існування психрофільних бактерій, де вони знаходяться у воді у вільному стані або в симбіозі з морськими рослинами або тваринами

Аналіз проб морської води на 16S рРНК показав присутність у ній різних архей. По числу і різноманітності представників бактерії зазвичай домінують над археями, хоча на великих глибинах морів і океанів знайдені еквівалентні кількості архей, які відносять частіше до родів Меthanogenium і Меthanococcus [13].

Психротрофи також широко поширені в природі. Вони описані серед представників родів Васillus, Мiсrососсus Clostridium, Рseudomonas, Chrоmоbасtеr, Acinetobacter і ін. Багато механізмів адаптації до холоду вивчені в таких модельних психротрофних видів, як Васillus psychrophilus і Мiсrососсus сryophilus. Пристосування до зниженої температури виявляється у зміні складу мембран (у ній підвищується вміст ненасичених жирних кислот) і синтезі криопротекторів (наприклад глицерола). Інший механізм пов'язаний з накопиченням в клітках більших кількостей найбільш важливих ферментів, так що навіть при неоптимальній температурі їх функціонування дозволяє клітині підтримувати достатню активність [5].

У зоні холодного і помірного клімату значення психрофільних і психротрофних

мікроорганизмів в природних процесах дуже велике. При дослідженні метаногенних колоній мікроорганізмів тундри групою російських вчених під керівництвом Г.А. Заварзіна вперше було виявлено перемикання трофічного маршруту асоціацій мікроорганизмів в залежності від температури, обумовлене зміною домінуючих груп мікроорганизмів. Так, при температурі вище 15 °С основним кінечним процесом в колоніях мікроорганізмів був метаногенез, а нижче 15 °С – створення ацетату [6].

Присихрофільними властивостями характеризуються не тільки бактерії а й дріжджі (наприклад: Candida, Criptococus, Rhodotorula), гриби (наприклад: Aureobasidium, Dematium, Cladosporium, Hormodendron) та бактеріофаги (наприклад: фаги для Pseudomonas та Micrococus cryophilus) [12]. Згідно з літературними даними велика кількість психрофілів виділено з різних об'єктів по всьому світу.

Дж. Боуменом із співавторами описані різноманітність і асоціації психрофільних мікроорганізмів льодів Антарктичного морів [7]. З прибережної частини Охотського моря виділено факультативний психрофіл Psychrobacter okhotskensis, що продукує ліпазу і нова галофільна факультативна психрофільна бактерія Psychromonas marina [8].

Підчас 7-ої антарктичної української експедиції було виділено бактерію Methylobacterium що знижує температуру кристалізації води до -13 °С [9].

Результати отриманих зразків ґрунту в Гімалаях (Індія) показали що більш ніж 60% мікроорганізмів що знаходилися у зразках були психрофілами[10].

А також проведені досліди з бактерією штамму Colwellia 34H, показали можливість існування бактерій які проявляють активність навіть при температурі -193,5 °С [11].
2.1 Вплив температури на ріст та розмноження
Ріст – основна функція мікроорганізмів, на яку впливає температура. Ріст підпорядковується термодинамічним законам, хоча має і свої специфічні особливості.

Основною характеристикою темпу розмноження мікроорганізмів є питома швидкість росту. Середня питома швидкість росту за проміжок часу (t1-t2) розраховується за формулою 1:


де: m1та m0 – початкова і кінцева вага клітин.

Формула 1 Швидкість росту

Температура, при якій швидкість росту максимальна називається оптимальною.

Головною особливістю психрофілів, на відміну від інших мікроорганізмів, є здатність інтенсивно рости при температурах 0–10 °С. Прикладом можуть послугувати такі вибіркові данні:


Табл. 1. Час генерації різних штамів Pseudomonas при температурах від 26–0 °С

Температура в

°С


Час генерації в хв.

Pseudomonas 1–36

(психрофіл)



Pseudomonas aeruginosa (мезофіл)

26

59

-

25

-

56

20

95

120

15

-

160

14

140

-

10

160

470

8

210

1400

0

620

-

Можна також привести данні про інтенсивність росту у факультативних та облігатних психрофілів, при температурах які прямують до граничних для їх росту. Таким приладом є представлений графік Арреніуса граф. 1.


Графік 1. Крива Арреніуса для швидкості росту психрофілів

Графік дає уявлення, що швидкість росту для облігатного психрофілу залишається лінійною до -2 °С, а для факультативного відхилення починається за декілька градусів від нуля. Це вкрай важливе спостереження, оскільки воно може являтися фактором, що приводить до екологічного домінування в місце існуваннях з низькою температурою. Ці данні були підтвердженні в експериментах з морськими психрофілами в модельних системах, а також в умовах безперервного культивування. В цих дослідах облігатні психрофіли виявилися більш конкурентно спроможними, при температурах нижче 15 °С.

Іншим показником є температурний коефіцієнт росту (Q10) він визначається як відношення швидкостей при одній температурі та при іншій на 10 °С нижчій.


Q10=Kt-/Kt

Формула 2. Температурний коефіцієнт росту


Для функції росту коефіцієнт може бути визначений в будь-якому інтервалі температур ΔТ з допомогою наступної формули:

Формула 3. Температурний коефіцієнт Q10 для функції росту при температурі ΔТ

К1 та К2 –температурні коефіцієнту росту з різницею в 10 °С
Залежність швидкості біологічних реакцій від температури робить цей показник досить зручним чинником для порівняння мікроорганізмів по ступеню стійкості швидкості росту до зниження температури[12].

  1   2


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка