Бактерії живуть на планеті Земля більш 3,5 млрд. Років. За цей час вони багато чому навчилися і багато до чого пристосувалися. Як і всьому живому, бактеріям притаманні такі процеси, як харчування, дихання, розмноження і спороутворення.
Вони виробляють ферменти і пігменти, за наявністю яких проводиться ідентифікація мікроорганізмів. Ціла група ферментів широко застосовуються в біотехнології (генетична інженерія, фармацевтична, легка і харчова промисловість).
Роль бактерій в природі носить глобальний характер. виконують дві найважливіші екологічні функції вони фіксують азот і беруть участь в мінералізації органічних залишків. Вони беруть участь в переміщенні, концентрації і розсіюванні хімічних елементів в біосфері землі. Бактерії повністю забезпечують життєдіяльність людини.
Рис. 1. На фото колонії сінної палички.
Рис. 2. На фото колонії бактерій, кожна з яких налічує мільйони особин. Кожна колонія є потомством однієї клітини. Вони виростають за 1 3 діб.
Хімічний склад бактерій і обмін речовин
автотрофні бактерії (автотрофи)
автотрофи живуть в кисневому середовищі і з метою отримання вуглецю і енергії використовують синтез органічні речовини з неорганічних.
Фотосинтез
фотоавтотрофамі для синтезу органічних речовин з неорганічних використовують енергію сонця . До них відносяться зелені водорості, пурпурні і ціанобактерії. Процес носить назву фотосинтезу.
Хемосинтез
Хемосинтезирующие бактерії для синтезу органічних речовин з неорганічних використовують хімічні реакції окислення. Процес носить назву хемосинтезу.
- серобактериями отримують енергію за рахунок окислення сірки.
- Нитрифицирующие бактерії отримують енергію за рахунок окислення амонію і нітриту.
- Залізобактерій отримують енергію за рахунок окислення двовалентного заліза.
- Водневі бактерії отримують енергію за рахунок окислення водню.
- метілотрофов з метою отримання вуглецю і енергії використовують окислені або заміщені похідні метану . Сьогодні вони становлять особливий інтерес, як об'єкти біотехнології. З їх допомогою виробляється білок, ферменти, ліпіди, гормони, антиоксиданти, пігменти, полісахариди, фактори транспорту заліза та ін.
Рис. 5. Зелені серобактерии в колоні Виноградського.
Гетеротрофні бактерії
Гетеротрофні бактерії використовують для побудови свого організму і забезпечення його життєдіяльності готові органічні речовини.
- Сапрофіти харчуються залишками мертвих органічних речовин. Для розщеплення поживних речовин вони виділяють в субстрат травні ферменти (молочнокислі і бактерії гниття ін).
- Бактерії-сімбіоти завжди проживають з іншими організмами. Вони приносять один одному користь (бульбочкові бактерії бобових рослин).
- Паразитичні бактерії споживають поживні речовини клітин господаря менингококки, гонококи і ін.
- Паразитичний і сапрофітний спосіб життя ведуть палички висипного тифу , сибірської виразки, бруцельозу тощо.
Рис. 6. На фото коріння бобових рослин. Засвоювати самостійно азот з повітря бобові рослини не можуть. В їх коріння проникають бульбочкові бактерії. Вони пов'язують азот повітря, утворюючи речовини, доступні рослинам. Самі ж рослини виділяють органічні речовини, які служать харчуванням для бактеріальної клітини.
Рис. 7. Клубеньковиє бактерії зосереджуються навколо ядра рослинної клітини і активно розмножуються, утворюючи інфекційні нитки, по яких переміщаються. Вони створюють сотні кілограмів добрив, що містять азот на один гектар ґрунту.
Транспорт поживних речовин
1. У бактеріальних клітин, які при фарбуванні по Граму набувають фіолетового забарвлення ( грампозитивні ), клітинна стінка товста, багатошарова. Ферменти, завдяки яким відбувається розщеплення поживних речовин, виділяються назовні і розщеплюють великі молекули білків, полісахаридів та інших біополімерів на більш прості фрагменти.
2. У бактерій, які при фарбуванні по Граму набувають червоне забарвлення ( грамнегативні ), клітинна стінка тонка. Живильні речовини, які надходять в клітину, розщеплюються в Периплазма (простір між клітинною стінкою і мембраною цитоплазми) гидролитическими ферментами.
Живильні речовини і іони проникають в бактеріальну клітину трьома шляхами:
- Пасивна дифузія відбувається без використання енергії. При цьому використовується різниця концентрацій речовини (градієнт концентрації). Так надходять малі полярні і неполярні молекули кисню, стероїди, жирні кислоти, вода, вуглекислий газ, азот, етанол і сечовина.
- Про блегченная дифузія необхідних для клітини речовин протікає за допомогою спеціальних білків, які формують в мембрані клітини канали, заповнені водою, що полегшують прохід потрібних молекул.
- Активна транспортування заснована на роботі транспортних білків, що перекачують речовини, розчинені у воді проти їх градієнта. Така робота завжди вимагає витрати енергії.
Дихання бактерій
При окисленні речовин органічної або неорганічної природи вивільняється енергія, так необхідна для бактеріальної клітини. Вона йде на освіту молекул АТФ джерела енергії. Для використання енергії хімічних реакцій більшість бактерій використовує кисень. Цей процес називається диханням.
Аеробні бактерії (аероби)
Аероби розвиваються в середовищах, що містять кисень.
- Облігатні аероби розвиваються тільки при наявності достатньої кількості кисню в навколишньому середовищі. Такий тип дихання характерний для бактерій, що мешкають в грунті, у водному середовищі, в повітрі. Їх дихання здійснюється через окислення сірководню, метану, водню, заліза і азоту (Sulfomonas denitrificans, Вас. Methanicus, Вас. Hydrogenes, Ferri bacterium і Nitrosomonas, Nitrobacter). Бактерії цієї групи беруть активну участь у кругообігу речовин у природі. В наявності кисню потребують з роду Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella і ін. У підвищеному вмісті кисню потребують мікобактерії туберкульозу, туляремії та холери.
- Факультативні бактерії здатні розвиватися при наявності в навколишньому середовищі мінімальної кількості кисню Salmonella, Shigella, Escherichia та ін.
Рис. 8. На фото аммоніфіцірующіе бактерії піддають останки загиблих тварин і рослин розкладанню.
Рис. 9. Розкладають клітковину целюлозні бактерії. В результаті їх роботи грунт збагачується гумусом, що значно підвищує її родючість, а вуглекислота повертається в атмосферу. Зеленим кольором пофарбовані внутрішньоклітинні симбіонти, жовтим — маса переробляється деревини.
Анаеробні бактерії (анаероби)
Анаероби розвиваються без доступу кисню, розкладаючи органічні сполуки в безкисневому середовищі. Вільний кисень пригнічує активність ферментів цих бактеріальних клітин. Бактерії цього типу живуть в компостних купах, ранах хворої людини, кишковому тракті людей і тварин.
- Облігатні анаероби не розвиваються при наявності кисню в навколишньому середовищі (бактерії роду Clostridium, бактерії , що викликають молочнокисле і маслянокислое бродіння).
- Факультативні анаероби розвиваються в присутності кисню або без нього (коки).
- При невеликій кількості кисню можуть розвиватися мікроаерофіллов Clostridium histolyticum, Clostridium tertium і ін.
Рис. 10. На фото газова гангрена. Захворювання викликається анаеробними бактеріями роду клостридиум.
Рис. 11. На фото сибірська виразка. Захворювання викликається анаеробними бактеріями роду баціллюс.
Рис. 12. Биоспорин-Біофарма вітчизняний препарат, що містить апатогенние бактерії роду Bacillus. Спори Bacillus виділяють протимікробні речовини, здатні пригнічувати ріст цілого ряду умовно-патогенних бактерій, не впливаючи при цьому на нормальну мікрофлору кишечника.
Ферменти бактерій
Все біохімічні процеси в бактеріальної клітці протікають за допомогою ферментів біологічних каталізаторів хімічних реакцій в живій системі. Їх дія спрямована тільки на одне речовина. Ферменти специфічні для кожного виду бактерій. За наявності певних ферментів проводиться ідентифікація мікроорганізмів.
- Ферменти бактеріальної клітини складаються з 2-х частин білкової і небілкової (простетичної). Білкова частина складається з простих білків. У небілкову частина входять такі мікроелементи, як залізо, мідь, кобальт, цинк, вітаміни та їх похідні.
- У залежності від виду каталізують особливостей ферменти підрозділяються на 6 груп: оксидоредуктаз, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази і лігази.
- Лігази і рестріктази широко застосовуються в біотехнології (генетична інженерія, фармацевтична, легка і харчова промисловість).
- Ферменти в бактеріальної клітці розподілені не хаотично, а строго контрольованим.
- Ферменти, що відповідають за енергетичний обмін і транспортування поживних речовин, знаходяться в цитоплазмі клітин.
- Ферменти, які беруть участь в білковому синтезі, мають зв'язок з рибосомами. Ряд ферментів знаходяться в цитоплазмі хаотично.
- Ендоферменти функціонують усередині бактеріальної клітини. Вони прискорюють реакції біосинтезу і катаболізму. Екзоферменти виділяються кліткою назовні, де відбувається розщеплення поживних речовин на більш прості.
- Гидролитические ферменти беруть участь в розщепленні макромолекул. Субстратом для них служать різні цукру.
- Протеолітичні ферменти розщеплюють білки.
- Патогенні бактерії виділяють ферменти, що руйнують тканини організму людини, тварини або рослини. Наприклад, стафілококи виділяють плазмокоагулаза головного чинника патогенності мікроба.
Рис. 13. Здатність оцтових паличок окисляти етиловий спирт до оцтової кислоти використовується сьогодні для отримання оцту, застосовуваного в харчових цілях і при заготівлі кормів для тварин силосовании (консервуванні). На фото процес силосування кормів. Силос соковитий корм, що володіє високою кормовою цінністю.
Рис. 14. На фото колонії бактерій, які ростуть і розмножуються на краплі нафти. Вони виробляють поверхнево-активні речовини, через що нафтова плівка розповзається (тікає). Широко застосовується діяльність ксенобактерій для очищення грунтів і водойм, забруднених нафтопродуктами.
Сяючі і ароматообразующіе мікроорганізми
Деякі бактерії здатні світитися (люминесцировать) в темряві. Світіння пов'язано з виділенням ферменту люціферази , який утворює кванти світла в результаті окисно-відновних реакцій. На багато питань, пов'язаних з цим явищем, вчені сьогодні так і не знайшли відповіді.
колонізуємо на субстратах, бактерії викликають світіння, наприклад рибної луски, грибів, гниючих дерев і харчових продуктів. Багато з них здатні розмножуватися в середовищах з підвищеним вмістом солі (галофільні види).
Рис. 15. На фото світяться бактерії.
Рис. 16. Сяючі бактерії причина світіння моря.
Деякі бактерії в процесі життєдіяльності виробляють ароматичні речовини (оцтово-етилові та оцтово-амілові ефіри), які надають особливого аромату вин, сирів та кисломолочних продуктів.
Рис. 17. На фото кефірний гриб. У ньому живуть і розмножуються разом більше десяти мікроорганізмів (симбіоз). Основні з них молочні дріжджі, оцтовокислі та лактобактерії.
пігменти бактерій
Майже всі бактерії в процесі своєї життєдіяльності виробляють пігменти.
- Пігмент розташовується між клітинами і має вигляд зерняток у Bacterium prodigiosum і Staphylococcus aureus.
- у Bacterium violaceum пігмент розташований в оболонці.
- Bacterium pyocyaneum виділяє пігмент в навколишнє середовище.
Деякі бактерії розчинні у воді і фарбують живильне середовище. Пігменти стафілокока і сарцин (жовті пігменти) розчинні в спирті, але не розчиняються у воді. Чи не розчиняються ні в спирті, ні в воді, пігменти бурого і чорного кольорів дріжджів і цвілі.
Пігменти утворюються в умовах присутності кисню. Вони мають найрізноманітніші кольори. Їх фізіологічна роль вченими до кінця не встановлена.
В даний час широко вивчається хімічний склад і природа пігментів, які синтезують бактерії. Пігменти є біологічно активними речовинами антибіотиками, фітонцидами, стимуляторами росту. Пігменти разом з іншими факторами є інструментом при їх систематики. Російські вчені вперше встановили зв'язок між пігментами бактерій і їх фізіологічними функціями.
Рис. 18. На фото зліва направо: бактерія Моргана, синьогнійна паличка, неінокулірованний контроль, Протеус Мірабіліс і кишкова паличка, вирощені на середовищі Кліглера (містить цитрат заліза).
Рис. 19. На фото колонії микрококков жовтого кольору.
Рис. 20. На фото колонії Bacterium prodigiosum криваво-червоного кольору.
Рис. 21. На фото колонії Bacteroides niger чорного кольору.
Рис . 22. На фото колонії синьогнійної палички синьо-зеленого кольору.
Докладно про бактеріяx читай в статтях:
«»,
«»,
«».
як і всьому живому, бактеріям притаманні такі процеси, як харчування, дихання, розмноження і спороутворення. Вони виробляють ферменти і пігменти, за наявністю яких проводиться їх ідентифікація. За мільйони років бактерії освоїли практично всі відомі біохімічні процеси. Вони беруть участь в переміщенні концентрації і розсіювання хімічних елементів в біосфері землі і повністю забезпечують життєдіяльність людини.