Планетарная роль микроорганизмов. Влияние температуры на бактерии и микроорганизмы

Психрофильные виды (холодолюбивые) растут в диапазоне температур 0-10°С, максимальная зона задержки роста 20-30°С. К ним относит большинство сапрофитов, обитающих в почве, пресной и морской воде. Но есть некоторые виды, например, иерсинии, психрофильные варианты клебсиелл, псевдомонад, вызывающие заболевания у человека. Выделяют факультативные и облигатные психрофильные микроорганизмы. Факультативные психрофильные микроорганизмы могут переносить и даже расти при +30 °С. К ним, в частности, относятся иерсинии, некоторые штаммы псевдомонад, клебсиелл пневмонии и др. У облигатных психрофильных микроорганизмов верхняя граница роста соответствует 20°С, оптимальная зона 10-15°С. Они обитают в арктических и антарктических водах, ледяных пещерах, почвах вечной мерзлоты. Для психрофильных микроорганизмов характерны длинный период генерации, малая плотность популяции, медленно протекающие процессы биосинтеза и биодеградации.

Мезофильные виды лучше растут в пределах 20-40°С; максимальная 43-45°С, минимальная 15-20°С. В окружающей среде могут переживать, но обычно не размножаются. К ним относится большинство патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Занимают промежуточное положение между психрофильными и термофильными микроорганизмами. Оптимальная температуpa роста для мезофильных микроорганизмов 25—37 °С, минимальная — 10—20 °С, максимальная — 40—45 °С. К мезофильным микроорганизмам относится большинство бактерий (в т. ч. актиномицеты), дрожжей и мицелиальных грибов, микроводорослей, обитающих в воде, почве, организме животных, растений и т. д. Свободноживущие мезофильные микроорганизмы в холодные сезоны года неактивны.

Высокая температура вызывает коагуляцию структурных белков и ферментов микроорганизмов. Большинство вегетативных форм гибнет при температуре 60°С в течение 30 мин, а при 80-100°С – через 1 мин. Споры бактерий устойчивы к температуре 100°С, гибнут при 130°С и более длительной экспозиции (до 2 ч.).

Для сохранения жизнеспособности относительно благоприятны низкие температуры (например, ниже 0°С), безвредные для большинства микробов. Бактерии выживают при температуре ниже –100°С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте (до –250°С).

Механизмы выживания бактерий при низких температурах

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.

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.

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 уAzotobacter 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.

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 видыArthrobacter способны выдерживать длительные периоды голодания in situ, чем и объясняется их широкое распространение в почвах при неустойчивых низких температурах. Один из видовArthrobacter, 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.

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.

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.

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.

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.