Микробиология

Что такое микробиология и биотехнология?
Микробиология - наука, изучающая систематику, строение, физиологические особенности мельчайших, невидимых невооруженным глазом растительных и животных организмов, условия их жизнедеятельности, их роль в природе и жизни человека.
Микроорганизмы являются древнейшими представителями
жизни на Земле. Их мельчайшие размеры и чрезвычайно
высокая биологическая активность определили резкое
отличие истории микробиологии от истории развития
других наук.
Микробиология сравнительно молодая наука, ей насчитывается всего лишь 340 лет. Основоположником этой науки считается голландский любитель-натуралист Антоний Ван Левенгук (1632-1723),
который первым наблюдал размеры и движение бактерий
через, изготовленный им, микроскоп.
До середине XIX в шло накопление отдельных
разрозненных наблюдений и фактов. Это был описательный, ”морфологический” период в развитии микробиологии.
А. Левенгук

Со второй половины ХIХ века началось бурное развитие микробиологии – ее физиологический период, связанный
с именем величайшего французского ученого, химика
по образованию, Луи Пастера (1822-1895).
Основной заслугой Пастера является то, что он впервые
связал микроорганизмы с процессами, ими вызываемыми. Луи Пастер
Исследования Л. Пастера завершили многовековой спор о возможности самопроизвольного зарождения жизни. Луи Пастер является основоположником основных направлений современной микробиологии.
Огромный вклад в развитие микробиологии внесли
отечественные ученые. И. И. Мечников (1845-1916) создал
фагоцитарную теорию иммунитета. С. Н. Виноградский
(1866-1953) ‒ основоположник почвенной
микробиологии, установил роль
Илья Мечников микроорганизмов в круговороте веществ в
природе. В. Л. Омелянский (1867-1928) открыл возбу-
дителей брожения клетчатки, процессы нитрификации,
азотфиксации, а также экологии микроорганизмов почв.
Сергей Виноградский

Биотехнология ─ это наука, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических производств, которые осознанно применялись в древности при получении вина, пива, хлеба. Основы сознательного
управления технологическими процессами, в которых
микроорганизмы являются «главными работниками»,
были заложены Луи Пастером.
Современная биотехнология, опираясь на
успехи молекулярной биологии, биохимии,
химической и информационной технологии, биофизики и
электроники, решает многочисленные проблемы
медицины, сельского хозяйства, гидрометаллургии,
энергетики, экологизации промышленных производств.

Роль и значение микроорганизмов
В природе играют большую роль в процессах:
• формирования химического состава почвы и природных вод;
• фотосинтетического продуцирования органических веществ, деструкции и трансформации продуктов деструкции отмерших остатков живых и растительных организмов;
• круговорота вещества и энергии в природных средах;
• минерализации органического азота и последующей его нитрификации, денитрификации и азотфиксации:
­­­- бактерии аммонификаторы участвуют в процессах разложения продуктов гидролиза белковых соединений
R-CH(NH2)COOH + O2 = R-COOH + NH3 + CO2
- бактерии нитрификаторы в результате биохимического окисления образуют из аммиака доступные для растений нитраты
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O;

- бактерии денитрификаторы восстанавливают нитраты до молекулярного азота
С6Н12О6 + 4NO3– = 6CO2 + 6H2O + 2N2
- азотфиксирующие бактерии связывают молекулярный азот, делая его доступным для высших растений, таким путем в почве аккумулируется в год до 175 млн. тонн связанного азота
N2 + 6H+ + 6e + 12АТФ = 2NH3 + 12АДФ + 12Фн
• биохимического окисления органических и минеральных веществ в природных средах
CH4 + O2 = CO2 + 2H2O
2H2S + O2 = 2S + 2H2O
2S + 3O2 +2H2O = 2H2SO4
4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2
• ферментативного гидролиза лигнина и клетчатки до глюкозы
(C6H10O5)n + H2O = nC6H12O6

В хозяйственной деятельности микроорганизмы используются для:
• хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства кисломолочных продуктов и сыров, получения витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих других веществ;
• биосинтеза антибиотиков, биологически активных веществ ;
• осуществления микробиологических процессов очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, анаэробного сбраживания осадков сточных вод, выщелачивания металлов из ″забалансовых руд″;
• биотрансформации ксенобиотиков и загрязняющих окружающую среду веществ, получения экологически чистой энергии, этанола, водорода.

Целю преподавания дисциплины ”Основы микробиологии и биотехнологии” является формирование у будущих специалистов знаний в области общей микробиологии и современной биотехнологии, особенно с точки зрения использования биотехнологических процессов в решении проблем охраны и рационального использования природных ресурсов и инженерной защиты окружающей среды.
Основными задачами дисциплины являются – дать будущим специалистам знания в области:
• роли и значения микроорганизмов в природе и жизни человека;
• биохимических процессов превращения органических и минеральных веществ с участием аэробных и анаэробных микроорганизмов;
• основных направлений применения современной биотехнологии, в том числе и в решении проблем охраны природной среды;
• практических навыков по расчету массовых и тепловых балансов аэробной и анаэробной биохимической очистки сточных вод и утилизации осадков.

После окончания изучения дисциплины
студент должен:
знать принципы систематики микроорганизмов, их морфологию и физиологию, основные механизмы превращения микроорганизмами различных химических соединений, закономерности процесса биохимического окисления органических и неорганических ве­ществ, типы систем аэробной и анаэробной очистки сточных вод и переработки осадков, использование биотехнологических процессов для решения проблем рационального использования природных ресурсов и инженерной защиты природной среды;
уметь применять теоретические основы дисциплины при выборе и обосновании рациональных биотехнологических систем очистки сточных вод и переработки осадков;
владеть расчетами массового баланса процессов, протекающих в биологических реакторах анаэробной и аэробной очистки сточных вод, переработки осадков.

Дисциплина ”Основы микробиологии и биотехнологии” готовит будущего специалиста к решению следующих задач профессиональной деятельности:
В области проектной деятельности: расчет и проектирование отдельных стадий технологического процесса в соответствии с техническим заданием, учетом эколого-экономических ограничений и требований промышленной безопасности.
В области производственно-технологической деятельности: участие в мероприятиях по охране окружающей среды на основе требований промышленной безопасности и других нормативных документов.
В области организационно-управленческой деятельности: участие в разработке малоотходных и экологически безопасных технологических процессов.
В области научно-исследовательской деятельности: анализ опасностей промышленных производств на природные системы.

Трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы

Содержание дисциплины
1. Введение в курс ”Основы микробиологии и биотехнологии” (Цели и задачи дисциплины. Основные понятия и определения. Роль и назначение микроорганизмов в природе и жизни человека).
2. Общая микробиология (Принципы систематики микроорганизмов. Цитология бактерий. Физиология микроорганизмов. Превращение микроорганизмами соединений углерода, элементорганических и минеральных веществ в анаэробных и аэробных условиях).
3. Биотехнология (Введение в современную биотехнологию.
Биообъекты: способы их создания и совершенствования.
Способы ведения биотехнологического процесса).
4. Биотехнологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды (Биологическая очистка сточных вод.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных аэрационных сооружениях. Анаэробная очистка сточных вод и обработка осадков. Другие направления применения биотехнологических процессов в решении проблем охраны окружающей среды).

Практические занятия

Лист контрольных мероприятий для студента

Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
Липунов И.Н., Первова И.Г., Никифоров А.Ф. Основы микробиологии и биотехнологии: курс лекций. Екатеринбург. УГЛТУ. 2008. 231 с.
2. Емцев В.И., Мишустин Е.Н. Микробиология. М.: Наука. 2006. 273 с.
Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чекалева И.И. Биотехнология. М.: Наука. 2006. 334 с.
Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. М.: Академия. 2006. 208. с
Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биотехнологические и химические процессы. М.: Мир. 2006. 408 с.
Григорьев Ю.О., Никифоров А.Ф., Мигалатий Е.В. Очистка-хозяй­ственно-бытовых сточных вод: учебное пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2013. 97 с.
7. Липунов И.Н., Первова И.Г. Очистка сточных вод в биологических реакторах с биопленкой и активным илом (расчет биофильтров и аэротенков): учеб. пособие. Екатеринбург: УГЛТУ, 2015. 115 с.
Дополнительная литература
8. Гудков А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод. Вологда: ВоГТУ, 2002. 127 с.

Общая микробиология
Термин ″микробиология″ происходит от греческих слов ″микро″– малый, ″биос″ – жизнь и ″логос″ – наука, что в дословном переводе означает ″наука о жизни малых″.
Мир микроорганизмов в природе разнообразен : ультрамикробы, бактерии с одноклеточным и многоклеточным строением.
Вся биосфера заселена микроорганизмами, они
распространены в почвах, водоемах, воздухе, на
поверхности и внутри всех живых существ.

Общая микробиология
Систематика микроорганизмов
Разнообразие микроорганизмов настолько велико, что на определенном этапе развития биологических наук возникла потребность в систематизации накопившегося материала.
На основе строения клетки и особенно ядерного аппарата все микроорганизмы делятся на две группы:
Прокариоты (не имеющие настоящего ядра ) и эукариоты (имеющие настоящее ядро).
К группе прокариотов относятся микроорганизмы, у которых ядерный аппарат не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной. Это бактерии (Bacteria) и сине-зеленые водоросли (Cyanobacteria).
Группу эукариотов составляют высшие протисты. К ним относятся организмы, у которых ядро обособлено от цитоплазмы ядерной мембраной (водоросли, грибы, простейшие)

Существует два вида классификации микроорганизмов: филогенетическая (естественная) и фенотипическая (искусственная).
Естественную классификацию, основанную на генеалогии и филогенетическом сродстве, разработали и предложили советские микробиологи В.И. Кудрявцев и Н.А. Красильников.
В связи с тем, что у бактерий трудно определить родственные связи, основное внимание уделялось развитию фенотипической (классической) классификации, основанной на признаках, сформировавшихся в процессе индивидуального развития в результате генетических свойств организма и условий окружающей среды.
Все весьма близкие по морфологическим и физиологическим признакам организмы относятся к одному виду, которые объединяются в:
Вид
(Species)
Роды
(Genus)
Семейства
(Familia)
Порядки
(Ordo)
Классы
(Classis)
Отделы
(Divisio)

Распределением организмов по группам (таксонам) в соответствии с определенными признаками, а также установление родственных связей между ними занимается наука систематика.
Систематикой называется наука о принципах и методах
построения системы и связях или отношениях между таксонами.
Таксономия – это часть систематики, изучающая связи между группами организмов.
Номенклатура – это правила наименования организмов
и таксонов и их перечень, принятые в данной области биологии.
В середине XVIII столетия шведский натуралист Карл Линней предложил бинарную (двойную) номенклатуру для всех живых организмов.
Данная номенклатура включает родовое и видовое название микроорганизмов, причем родовое пишется с заглавной буквы, а видовое – со строчной, то и другое выделяют курсивом, например: Sarcina lutea –сарцина желтая.
В наименование вида или рода вводится иногда и физиологический или общебиологический признак: Vibrio cholrae –вибрион, вызывающий
холеру.

Общая микробиология
Систематика микроорганизмов

СИСТЕМАТИКА ПРОКАРИОТНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Прокариоты объединены в царство Prokaryotae, которое подразделено на 4 отдела
ПРОКАРИОТЫ
Фото -и не фототрофные бактерии (кокки, палочки, нити), аэробы, анаэробы
1 отдел
2
отдел
3
отдел
4
отдел
Хемосинтезирующие
бактерии: хемотрофы, аэробы, анаэробы, факультативные анаэробы
Бактерии, клетки которых содержат стерины
Организмы класса Аrchaebacteria:
• метанообразующие;
• окисляющие и восстановливающие S
• участвующие в превращении С и N;
• термоацидофильные микроплазмы

СИСТЕМАТИКА ЭУКАРИОТНЫХ ОРГАНИЗМОВ
ЭУКАРИОТЫ
ВОДОРОСЛИ
ПРОСТЕЙШИЕ
ГРИБЫ (Mykota)
• зеленые;
• желто-зеленые;
• диатомовые
• жгутиконосцы;
• саркодовые;
• инфузории
• Ascomycetes – спорынья;
• Basidiomycetes – дрожжи;
• Oomycetes – жизненный цикл на растении–хозяине

СИСТЕМАТИКА ВИРУСОВ
Вирусы – это группа ультрамикроскопических внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов.
Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, кодируемых нуклеиновой кислотой.
Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты: ДНК или РНК. В связи с этим вирусы делятся на 2 группы:
ДНК-геномные и РНК-геномные.
Формы вирусов: палочковидная, нитевидная, сферическая, кубовидная и булавовидная.
ФОРМА ВИРУСА
Внеклеточная –
вирион
Внутриклеточная–вегетативный или репродуцирующий

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ
по БОЛТИМОРУ (биолог, Лауреат Нобелевской премии), основана на механизме образования мРНК и включает семь основных групп вирусов
(I) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК-стадии (например, герпесвирусы, поксвирусы, паповавирусы, мимивирус).;
(II) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (например, парвовирусы). В этом случае ДНК всегда положительной полярности;
(III) Вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (например, ротавирусы);
(IV) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности (например, пикорнавирусы, флавивирусы);
(V) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (например, ортомиксовирусы, филовирусы);
(VI) Вирусы, содержащие одноцепочечную положительную молекулу РНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (например, ВИЧ);
(VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B);

А: вирус, не имеющий липидной оболочки (пикорнавирус);
B: оболочечный вирус (герпесвирус)
– капсид; (2) – геном
нуклеиновой кислоты;
(3) – капсомер; (4) – нуклео-
капсид; (5) – вирион;
(6) – липидная оболочка;
(7) – мембранные белки
оболочки

Палочковидный вирион вируса табачной мозаики
(1) РНК – геном вируса; (2) – капсомер; ( 3) – зрелый участок капсида

Вирус испанского типа
Эпидемия испанского гриппа 1918 года, продолжавшаяся до 1919 года, относится к 5 категории пандемий вируса гриппа. Она была вызвана чрезвычайно агрессивным и смертоносным вирусом гриппа A. По старым оценкам, испанский грипп унёс 40—50 млн. жизней, а по современным оценкам эта цифра приближается к 100 млн, то есть 5 % тогдашнего населения Земли

Марбургский вирус
Марбургский вирус привлёк широкое внимание прессы в апреле 2005 года из-за вспышки в Анголе. Продолжавшаяся с октября 2004 года и вплоть 2005 года, эта вспышка вошла в историю как наиболее ужасная эпидемия любой геморрагической лихорадки.

Основные
вирусные
инфекции
человека и
их возбудители

Общая микробиология
Морфология микроорганизмов ‒ раздел микробиологии, изучающий форму, размер и строении организмов. Для изучения внешнего вида, формы, размеров и структуры организмов используют различные микроскопы (биологический, электронный и др.) и специальные методы микроскопии (фазово-контрастный, темнопольный и др.).
Все известные виды бактерий по внешнему виду
можно свести к трем формам: шаровидные, извитые,
палочкообразные. Размеры организмов измеряются в
микрометрах и наномертах. Средний размер бактерий
составляет 2÷3 х 0,3÷0,8 мкм. Способность бактерий Биологический микроскоп
изменять свою форму и величину называется полиморфизмом.
Палочковидные Шаровидные Извитые

Общая микробиология
Цитология бактерий ─ раздел микробиологии, изучающий внутреннюю структуру бактериальной клетки.
Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и нуклеоида. Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, жгутики, пили.
1−базальные тельца; 2 − жгутики;
3 − капсула; 4 − клеточная оболочка;
5 − цитоплазматическая мембрана;
6 − цитоплазма; 7 − рибосомы;
8 − мезосома; 9 − нуклеоид;
10 − полифосфаты; 11 − полисахаридные
гранулы; 12 − включения серы;
13 − липидные капли;
14 − пластинчатые тилакоиды;
15 − хроматофоры

ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Клеточная оболочка –
внешний каркас клетки
Капсула–служит осмотическим барьером
Цитоплазматическая мембрана защищает протопласт, синтезирует оболочку и капсулу
Протопласт – это содержимое клетки и состоит из цитоплазмы
Цитоплазма состоит из белков, жиров, углеводов, аминокислот, минеральных веществ и воды
Включения играют роль запасных питательных веществ
Ядерные элементы (нуклеоиды) содержат ДНК и входят в состав нуклеиновой кислоты, являющиеся носителями генетической информации

Химический состав бактериальной клетки
Все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов, клетка которых в своем составе содержит O, C, H и N. На долю этих элементов – ”органогенов” приходится до 98 % массы клетки.
Вещественный состав клетки
Вода
Углеводы
Жиры
Белки
Химические процессы в клетке.
Поступление питательных в-в и удаление отработанных продуктов.
Регулирует тепловой баланс клетки.
Синтез белков и жиров.
Строительный материал.
Источник энергии для живых организмов.
Источник энергии в клетке.
Регулятор проницаемости клеточной оболочки.
Участники в адсорбционных процессах, протекающих в цитоплазме.
Ферменты.
Выполняют структурные и двигательные функции.
Источники энергии.

Общая микробиология
Размножение микроорганизмов
Размножение ─ это увеличение числа клеток микроорганизмов в популяции. Микроорганизмы размножаются различными способами: поперечным делением, происходящим в процессе роста клетки, пачкованием или фрагментацией.
Размножение бактерий происходит бесполым путем. Прокариоты размножаются бинарным делением, реже пачкованием.
Фото слева - вначале внутреннее содержимое клетки делится пополам, затем образуется поперечная мембранная перегородка, синтезируется клеточная стенка, завершающая деление. Фото справа ─ делящиеся клетки .

Почкование у бактерий представляет собой разновидность бинарного деления и у ряда форм почти не отличается от деления.
Бактериальная клетка проходит от деления к делению клеточный цикл, равнозначный периоду от возникновения бактериальной клетки до прекращения ее существования. В результате роста и размножения из одной клетки микроорганизма образуется целая колония его потомков.
При развитии бактерий на каком-либо питательном субстрате их рост проходит несколько фаз (стадий), в течение которых по-разному изменяется скорость их размножения.
I −исходная (стационарна) фаза;
II − фаза задержки размножения;
III − логарифмическая фаза;
IV − фаза отрицательного ускорения;
V − стационарная фаза максимума;
VI − фаза ускорения гибели клеток;
VII − фаза логарифмической гибели; VIII − фаза уменьшения скорости

Спорообразование бактерий – сложный процесс дифференциации клеток, который происходит во всей популяции, а внутри вегетативных клеток образуются новые клетки − споры. Из одной клетки возникает только одна спора.
По характеру расположения и размеру споры выделяют бациллярный, клостридиальный и плектридиальный виды спорообразования.
Бациллярный вид спорообразования найден у бактерий рода Bacillius, а клостридиальный и плектридиальный − у бактерий рода Clostridium.
Споры в клетках Bacillius
cereus (а), B. Subtilis, ультратонкий
срез (б), B. licheniformis, зрелые
споры (в), Clostridium pasteurianum (г)

Спора бактерий − это уникальная структура по степени устойчивости к неблагоприятным условиям среды, поскольку обеспечивает выживаемость клетки в состоянии анабиоза в течение сотен лет в отсутствии питательных веществ или при критических температурах, влажности, рН.
Кроме спор, у бактерий могут быть другие, хотя и менее стойкие покоящиеся формы. Это − экзоспоры, цисты, акинеты, миксоспоры.
Экзоспоры у почкующихся фотосинтезирующих бактерий Rhodomicrobium vannielii
Цисты азотобактера (а); акинеты (1) и гетероцисты (2) нитчатой
цианобактерии Cylindrospermum (б)

Общая микробиология
Движение бактерий
Существуют бактерии, плавающие в жидкой и скользящие по плотной среде. Движение бактерий впервые наблюдал А. Левенгук.
Локомоторным органом плавающих бактерий, к которым относятся в основном палочковидные формы, является жгутик.
Органами движения у простейших являются реснички, покрывающие тело животных полностью или частично.
Бактерии рода Pseudomonas −
монотрих (а) и рода Bacillus − перитрих (б)
Равноресничные инфузории

Общая микробиология
Физиология микроорганизмов — раздел микробиологии, изучающий процессы питания, дыхания и обмена веществ и энергии, происходящих в живом организме.
Питание микроорганизмов. Различают углеродное и азотное питание микроорганизмов. По типу углеродного питания организмы делятся на 2 группы.

Физиология микроорганизмов
Питательными веществами называют химические соединения, которые, попав в живой организм, служат либо источником энергии для процессов жизнедеятельности, либо материалом для построения составных частей клетки.
Потребности различных микроорганизмов в питательных веществах разнообразны, используемые ими субстраты в качестве источников питания отличаются составом и строением.
Источником энергии для микроорганизмов служат солнечный свет и восстановленные химические соединения.
Автотрофные микроорганизмы синтезируют органические вещества , используя в качестве источника углерода СО2, Н2СО3 или ее соли. При этом потребляют либо солнечную энергию (фотосинтетики), либо энергию химической реакции (хемосинтетики);

Физиология микроорганизмов
Если бактерии имеют хлорофилл содержащие или подобные им пигменты, то источником энергии им может служить солнечный свет, а донором водорода являются вода и сероводород. Такие бактерии называются фотосинтезирующие бактерии.
hν
СО2 + Н2О → (СН2О) + О2
hν
CO2 + 2H2S → (CH2O) + Н2О + 2S
К ним относятся водоросли, пурпурные серобактерии.
Другая группа автотрофных микроорганизмов получает энергию за счет химического превращения некоторых минеральных веществ. Такие автотрофы носят название хемосинтезирующие бактерии.
Представителями этой группы являются серобактерии, тионовые бактерии, железобактерии.
С6Н12О6 + 3Н2SO4 = 6CO2 + 6H2O + 3H2S

Физиология микроорганизмов
Гетеротрофные микроорганизмы нуждаются в готовых органических соединениях для синтеза своего организма.
Большинство гетеротрофных организмов используют для своего питания органические вещества неживых природных субстратов. Они получили название сапрофиты или метатрофы. К ним относятся микробы брожения, плесневые грибы, дрожжи.
Некоторые гетеротрофы нуждаются в живом растительном или животном белке и получили название паратрофы или паразиты. Они паразитируют в организме растений и животных и вызывают их заболевания. К ним относятся патогенные, или болезнетворные, микроорганизмы.
Источником питания для этой группы микроорганизмов служат практически все классы органических веществ: углеводы, кетокислоты, оксикислоты, аминокислоты, жирные кислоты, а также другие соединения углерода, встречающиеся в природе.

Физиология микроорганизмов
Обмен веществ микроорганизмов состоит из 2 противоположных процессов: • усвоения питательных веществ организмом;
• разрушения соединений, входящих в состав их тела, и удаления продуктов распада.
Первый процесс связан с синтетическими реакциями, протекает с поглощением энергии и получил название ассимиляции или конструктивного обмена.
Второй связан с реакциями распада, сопровождается выделением
энергии и получил название дессимиляции или энергетического обмена.
Таким образом, в основе жизнедеятельности организма лежит конструктивный и энергетический обмен.
Все химические проявления жизнедеятельности микроорганизмов называются метаболизмом, который включает две группы жизненно важных процессов: катаболизм (энергетический обмен) и анаболизм (биосинтез).

Физиология микроорганизмов
Катаболизм ― это комплекс процессов расщепления пищевых веществ, которые происходят в основном за счет реакций окисления, в результате чего выделяется энергия.
Основными формами катаболизма у микроорганизмов являются процессы брожения и дыхания.
Высвобождающаяся при катаболизме свободная энергия аккумулируется в форме энергии фосфатных связей АТФ и АДФ.
Анаболизм объединяет процессы синтеза макромолекул клетки из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде.
Реакции анаболизма связаны с потреблением свободной энергии, которая вырабатывается в процессах дыхания, брожения и сохраняется в форме АТФ.
Катаболизм и анаболизм протекают одновременно, многие реакции и промежуточные продукты для них общие.
Энергия, выделившаяся при фотохимических и химических реакциях, запасается организмом и передается от одного организма к другому.

Физиология микроорганизмов
Дыхание микроорганизмов – это биологический процесс, сопровождаемый окислением или восстановлением преимущественно органических соединений с последующим выделением водорода и энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Перенос водорода с молекулы окисляемого субстрата осуществляется на молекулу кислорода (аэробный тип дыхания) или на молекулу неорганического вещества (анаэробный тип дыхания).
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы:
облигатные аэробы – могут расти только при наличии кислорода;
облигатные анаэробы – растут на среде без кислорода, который для них токсичен;
факультативные анаэробы – могут расти как при кислороде, так и без него.

В процессе аэробного дыхания выделяют две стадии:
• первая стадия включает серию реакций, в результате которых органический субстрат окисляется до СО2, освобождающиеся атомы водорода перемещаются к акцепторам: С6Н12О6 + 3О2 = 6СО2 + 12Н;
• вторая стадия представлена процессом окисления атомов водорода кислородом до Н2О с образованием АТФ: 12Н + 3О2 = 6Н2О;
Обе фазы совместно ведут к окислению субстрата до СО2 и Н2О и образованию активной энергии (АТФ)
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О (– ΔН)
Процессы, протекающие с участием анаэробных микроорганизмов, можно описать следующими реакциями:
2НNO3 + 12H = N2 + 6H2O + 2H+
H2SO4 + 8H = H2S + 4H2O
Таким образом, различие между аэробным и анаэробным дыханием заключается в природе конечного акцептора атомов водорода.
Основные типы анаэробного дыхания: нитратное, сульфатное, ″железное″, карбонатное.

Анаэробный тип дыхания называют брожением.
Брожение – это окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию АТФ, в котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого процесса брожения.
Процесс брожения упрощенно можно представить в виде двух стадий.
Первая стадия – это расщепление глюкозы с образованием пировиноградной кислоты (пируват). Эта стадия составляет окислительную часть процесса брожения и может быть показана следующей схемой превращения:
С6Н12О6 → 2СН3СОСООН + [4Н]
Вторая стадия – это стадия восстановления пировиноградной кислоты атомами водорода до конечного продукта брожения. Например, молочнокислые бактерии восстанавливают пируват до молочной кислоты (лактат):
2СН3СОСООН + [4Н] → 2СН3 СНОНСООН

Физиология микроорганизмов
Ферменты – биологические катализаторы подразделяются на шесть классов на основании химизма осуществляемых ими реакций

Физиология микроорганизмов
Влияние внешних факторов на микроорганизмы
Различают три группы факторов внешней среды, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов:
• физические; • химические; • биологические.
Температура
Физические факторы
Влажность
Wmin (субстрата) – 20÷30 %
Лучистая энергия
Осмотическое давление
Термофилы
50 – 70 0С
Мезофилы
20 – 40 0С
Психрофилы
8 – 10 0С
ИК-излучение
(длинвол. часть спектра)
Солнечные лучи
(видимая часть спектра)
УФ–излучение
(коротков. часть спектра
Ионизирующее
излучение
Плазмолиз
> Ссолей в клетке
Плазмоптиз
< Ссолей в клетке

Физиология микроорганизмов
Влияние внешних факторов на микроорганизмы
Химические факторы
Реакция среды (рН) 6.5 – 8,5
Степень насыщение среды О2
Активаторы:витамины, биогенные элементы
Химические вещества
Ингибиторы: соли Ag, Zn, Cu, Hg; окислители Cl2, J2, O3, H2O2; органические вещества
фенол, спирты, крезол

Физиология микроорганизмов
Влияние внешних факторов на микроорганизмы
Антагонистические свойства некоторых микроорганизмов объясняются их способностью выделять в окружающую среду вещества, обладающие антимикробным (бактерицидным, фунгицидным) действием – антибиотики, которые применяются в медицине (пеницилин, стрептомицин), в животноводстве (кормовые добавки), в пищевой промышленности для консервирования пищевых продуктов (низин)
Биологические факторы –
взаимоотношения между микроорганизмами
Симбиоз:
взаимовыгодные
Метабиоз:
жизнедеятельность за счет другого без причинения ему вреда
Антагонизм:
один из видов угнетает развитие другого, вплоть до гибели
Паразитизм:
жизнедеятельность за счет другого с причинения ему вреда

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами соединений углерода
Анаэробное окисление наблюдается в процессах брожения с участием облигатных и факультативных анаэробов. Любой тип брожения начинается с трансформации углеводов в пировиноградную кислоту по механизму гликолиза (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса):
С6Н12О6 + 2АТФ = С6Н10О6(РО3Н2)2 + 2АДФ (фосфофруктокиназа)
глюкоза фруктозо-1,6-дифосфат
С6Н10О6(РО3Н2)2 = НСО-СНОН-СН2О(РО3Н2) + СН2ОН-СО-СН2О(РО3Н2)
фосфоглицериновый альдегид фосфодиоксиацетон
2НСО-СНОН-СН2О(РО3Н2) + 2Н2О =2 (РО3Н2)-ОН2С-СНОН-СООН + 4Н+
фосфоглицериновая кислота
2(РО3Н2)-ОН2С-СНОН-СООН + 2АДФ = 2СН3СОСООН + 2АТФ
пировиноградная кислота (пируват)

Превращение микроорганизмами соединений углерода
Типы брожения (анаэробное окисление)
Маслянокислое брожение осуществляется анаэробными бактериями рода Clostridium
2СН3СОСООН = 2СН3СНО + 2СО2
2СН3СНО = СН3СНОНСН2СНО
СН3СНОНСН2СНО = СН3СН2СН2СООН
4С6Н12О6 = 3СН3СН2СН2СООН + 2СН3СООН +СО2 + Н2
Спиртовое брожение, возбудителем которого являются дрожжи рода Saccharomyces и другие низшие грибы и бактерии
2СН3СОСООН = 2СН3СОН + 2СО2
2СН3СОН + Н2 = 2СН3СН2ОН
С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО2

Превращение микроорганизмами соединений углерода
Типы брожения (анаэробное окисление)
Молочнокислое брожение осуществляется факультативными анаэробами, в частности гомоферментативное молочнокислое идет с участием молочнокислых стрептококков рода Streptococcus и палочками из рода Lactobacillus:
2СН3СОСООН + H2 → 2СН3СНОНСООН
Брожение целлюлозы осуществляется бактериями рода Clostridium
2(С6Н10О5) + Н2О = С12Н22О11
С12Н22О11 + Н2О = 2С6Н12О6
С6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + СН3СООН + CO2 + Н2
Сбраживание белков начинается с их гидролитического расщепления в присутствии протеолетических ферментов на отдельные аминокислоты (процесс протеолиза), которые под действием бактерий рода Clostridium далее сбраживаются по реакции Стикленда:
СН3СНNH2COOH + CH2NH2COOH + H2O = 3CH3COOH + CO2 + 3NH3
аланин глицин

Превращение микроорганизмами соединений углерода
Аэробное окисление. В присутствии кислорода биохимическому расщеплению подвергаются углеводы, жиры, органические кислоты, углеводороды и другие соединения.
Окисление жиров начинается с их гидролитического расщепления на глицерин и жирные кислоты по действием фермента липазы:
С3Н5(С18Н35О2) + 3Н2О = С3Н5(ОН)3 + С17Н35СООН
тристеарин глицерин стеариновая кислота
Далее окислению подвергаются глицерин и стеариновая кислота:
2С3Н5(ОН)3 + 7О2 = 6СО2 + 8Н2О
С17Н35СООН + 26О2 = 18СО2 + 18Н2О
Окисление углеводородов
R–CH3 → R–CH2OH → R–CHO → R–COOH → CO2 + H2O
2С6Н6 + 15О2 = 12СО2 + 6Н2О
С6Н5ОН + 7О2 = 12СО2 + 6Н2О

Общая микробиология
Превращение азотсодержащих органических веществ
Азотсодержащие органические соединения входят в состав белковой структуры микроорганизмов в виде аминокислот.
В почве происходит гидролитическое расщепление белка отмерших остатков животных и растительных организмов с участием бактерий рода Pseudomonas, Bacillus, Clostridium на пептидные цепочки и отдельные аминокислоты: белок → полипептид → аминокислота
Аминокислоты далее подвергаются биохимическому превращению.
Аммонификация – минерализация органического азота
RCHNH2COOH + Н2О = RCHОНCOOH + NH3
RCHNH2COOH + 1/2О2 = RCOCOOH + NH3
RCHNH2COOH + H2 = RCH2COOH + NH3
Нитрификация – окисление аммиака до нитратов
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O;
2HNO2 + O2 = 2HNO3
Денитрификация – восстановления нитратов до N2
5С6Н12О6 + 24KNO3 → 24KHCO3 + 6CO2 + 12N2 + 18 H2O
Фиксация атмосферного азота – восстановление свободного азота
N2 + 2Н+ + 2℮ → N2H2 + 2Н+ + 2℮ → N2H4 + 2Н+ + 2℮ → 2NH3

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами минеральных веществ
В природе кроме круговорота O2, С и N2 происходит круговорот и других элементов, в частности, S, P, Fe. Циклические превращения таких элементов в биосфере протекают с участием определенных микроорганизмов.
Превращение соединений серы
Окисление соединений серы
В процессе биохимического окисления соединений серы участвует 3 вида бактерий: анаэробные фотосинтезирующие, тионовые и собственно серобактерии.
Фотосинтезирующие бактерии способны окислять H2S, S, Na2SO3 и другие не окисленные соединения серы. У этих бактерий донором водорода служит сероводород, а акцептором – оксид углерода (IV): hν
2H2S + CO2 = CH2O + S + H2O
Образующаяся свободная сера далее окисляется до серной кислоты:
hν
2S + CO2 + 7H2O = CH2O + 4H2 + 2H2SO4

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами минеральных веществ
Окисление соединений серы
Тионовые бактерии в качестве окисляемого субстрата используют H2S, S, Na2S, Na2SO3, Na2S2O3, Na2S4O6 (тетратионаты). Эти бактерии используют энергию химических реакций:
H2S + 2O2 = H2SO4
2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4
5Na2S2O3 + 4O2 + H2O = 5Na2SO4 + Н2SO4 + 4S
Na2S4O6 + O2 + 6H+ = Na2SO4 + 3H2SO4
Существует вид тионовых бактерий, участвующих в процессе денитрификации. С участием этих бактерий происходит окисление серы и ее соединений с использованием кислорода нитратов:
5S + 6KNO3 + 2CaCO3 = 3K2SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 3N2

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами минеральных веществ
Окисление соединений серы
Собственно серобактерии в качестве окисляемого субстрата используют сероводород
2H2S + O2 = 2S + 2H2O
При недостатке сероводорода серобактерии окисляют элементарную серу до серной кислоты
2S + 3O2 + H2O = 2H2SO4
Для своего развития серобактерии нуждаются в сероводороде, в тоже время им необходим кислород для окислительных процессов и потому они в природных условиях развиваются в основном в проточных водоемах.
Серобактерии являются постоянными обитателями биопленки и активного или в искусственных очистных сооружений биологической очистки сточных вод.

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами минеральных веществ
Восстановление соединений серы
В природных средах (в водах лиманов, некоторых морей, в плохо аэрированных затопленных почвах) происходит микробиологическое восстановление сульфатов.
Процесс этот называется сульфатредукцией, а его возбудители – сульфатредуцирующими бактериями.
В зависимости от типа органического соединения побочными продуктами восстановления сульфатов являются уксусная кислота или оксид углерода (IV):
4CH3COCOOH + H2SO4 = 4CH3COOH + 4CO2 + H2S
С6H12O6 + 3H2SO4 = 6CO2 + 6H2O + 3H2S

Общая микробиология
Превращение микроорганизмами минеральных веществ
Превращение соединений металлов
По воздействию на соединения металлов можно выделить следующие группы микроорганизмов: бактерии, окисляющие закисное железо; бактерии, разлагающие органические комплексы железа и марганца; бактерии, окисляющие сульфиды металлов и способствующие выщелачиванию металлов из руд.
Окисление соединений закисного железа. Железо в природных средах (в почвенном растворе, в воде водоемов) присутствует в виде растворимых солей угольной кислоты Fe(HCO3)2 и FeCO3, а также комплексных соединений гуминовой кислоты – гуматов. Данные соединения подвергаются воздействию микроорганизмами, получившими название железобактерии.
В результате такого микробиологического процесса образующийся гидроксид железа (III) откладывается на поверхности клеток микроорганизмов:
2FeCO3 + 3H2O + 1/ 2O2 = 2Fe(OH)3 + 2CO2