Механізм захисту мікроорганізмів від дії токсичних речовин

НАЦІОНАЛЬНИЙ  ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

Факультет біотехнології і біотехніки

Кафедра екобіотехнології та біоенергетики

 

 

 

 

 

Реферат

з дисципліни «Хімія біогенних елементів»

на тему

«Механізм захисту у мікроорганізмів від дії токсичних речовин »

 

 

 

 

 

                  Виконала:

                  студентка ІІ курсу,

                 

                  Перевірив:

                  доц., к.б.н. Ситнік О. І. 

 

 

 

 

Київ 2013

 

 

Вступ

З'ясування причин того, яким чином бактерії адаптуються до різних умов навколишнього середовища, має  дуже важливе значення для науки. Інформація про ці процеси дала б  розуміння основних механізмів виживання  деяких з найбільш стійких організмів на Землі. Різноманітні групи бактерій можуть розвиватися в умовах, не доступних, для інших організмів.

Величезній різноманітності умов, представлених бактеріям біосферою, відповідає різноманітність їх властивостей і адаптацій. Володіючи величезною чисельністю популяцій і виробленими еволюцією механізмами мінливості і дифузії генетичних детермінацій, більшість бактеріальних видів знаходиться в стані постійного адаптаційного руху відповідно з постійно змінюються умовами середовища. Бактерії мають досить складними і досконалими механізмами молекулярних адаптацій, про існування яких ще відносно недавно не можна було навіть припустити.

Якщо розглядати життя  в навколишньому середовищі, то очевидно, що природа може бути вельми ворожою, і що організмам доводиться боротися за життя. Давно відомо, що життя  зустрічається в найсуворіших умовах: у гарячих джерелах, які нерідко  відрізняються підвищеною кислотністю; в солоних озерах і солеварнях; в джерелах з підвищеною кислотністю (наприклад, в рудничних стоках), які можуть містити також токсичні важкі метали у високих концентраціях ; на сухих поверхнях скель і  в пустелях; при температурах близько  точки замерзання води і навіть нижче  її.

Великий інтерес до адаптації  мікроорганізмів до різноманітних  умов навколишнього середовища був  викликаний і довгий час підтримувався  пошуками життя на інших планетах. Адже знаючи кордони життя на Землі, можна скласти уявлення про фізичні та хімічних межі, в яких життя могло виникнути не тільки на нашій, а й на інших планетах.

А також вивчення механізмів виживання бактерій також має дуже важливе значення для багатьох наук.

Токсичні речовини (отрути)- це такі речовини, що проникають в організм, вступають у з’єднання з його тканинами і вже в невеликих кількостях викликають порушення їхньої нормальної діяльності.

Токсичність – це здатність речовин шкідливо впливати на життєдіяльність організмів.

До найбільш небезпечних (надзвичайно і високо токсичних) речовин відносяться:

• деякі сполуки металів (органічні і неорганічні похідні миш’яку, ртуті, кадмію, свинцю, талію, цинку та інших);
• карбоніли металів (тетракарбоніл нікелю, пентакарбоніл заліза та інші);
• речовини, що мають ціанисту групу (синильна кислота та її солі, бензальдегідціангідрон, нітрили, органічні ізоціанати);
• сполуки фосфору (фосфорорганічні сполуки, хлорид фосфору, фосфін, фосфідин);
• фторорганічні сполуки (фтороцтова кислота і її ефіри, фторетанол та інші);
• хлоргідрони (етиленхлоргідрон, епіхлоргідрон);
• галогени (хлор, бром);інші сполуки (етиленоксид, аліловий спирт, метил бромід, фосген, інші).

До сильно токсичних  хімічних речовин відносяться:

• мінеральні і органічні кислоти (сірчана, азотна, фосфорна, оцтова, інші);
• луги (аміак, натронне вапно, їдкий калій та інші);
• сполуки сірки (діметилсульфат, розчинні сульфіди, сірковуглець, розчинні тіоціанати, хлорид і фторид сірки);
• хлор і бромзаміщені похідні вуглеводню (хлористий і бромистий метил);
• деякі спирти і альдегіди кислот;органічні і неорганічні нітро і аміносполуки (гідроксиламін, гідрозин, анілін, толуїдин, нітробензол, динітрофенол);
• феноли, крезоли та їх похідні; гетероциклічні сполуки.

Серед мікроорганізмів є  форми, стійкі до дії загальних клітинних  і метаболічних отруйних речовин (фенол, окис вуглецю, сірководень, тощо), окремі види мають здатність використовувати  ці сполуки як джерела живлення. Вважають, що стійкість мікроорганізмів  до токсичних речовин у багатьох випадках визначається плазмідами.

У виробленні стійкості бактерій до токсичних речовин беруть участь трансмісивні плазміди, що несуть гени множинної стійкості - R-фактори (від  англ. Resistance - стійкість). R - чинники  обумовлюють стійкість мікроорганізмів  до кількох (дев'ять і більше) груп речовин - солей важких металів, а також антибіотиків, лікарських речовин, та ін..

  Гени, які визначають стійкість бактерій, можуть перебувати в транспозонах, здатних переміщатися в різні ділянки хромосоми і на плазміди. Поширенню множинної стійкості бактерій сприяє комбінація трансмісивної плазміди з транспозоном.

Вплив на мікроорганізми токсичних  речовин в невеликих концентраціях, що не викликають їх загибелі, розглядають  як один з варіантів стресових (від  англ. Stress - напруга) впливів. У таких  умовах включаються спеціальні механізми  клітинного метаболізму, які забезпечують виживання бактерій [1]

Мікроорганізми  по-різному реагують на важкі метали в залежності від виду мікроорганізму і концентрації важких металів у  середовищі. Це справедливо також  для миш'яку і сурми. Всім мікробам в якості компонентів харчування необхідні ті чи інші важкі метали, такі, як Со, Сі, Fe і Zn. Деякі мікроорганізми потребують також у Мо, V і Ni. Всі ці метали беруть участь в основному у ферментативному каталізі і повинні бути присутніми в живильному середовищі лише в дуже низьких концентраціях, зазвичай порядку декількох мікрограмів на один літр. Ряд мікроорганізмів здатний здійснювати активний транспорт деяких з цих елементів всередину клітини.

Існують бактерії і  гриби, які виробляють спеціальні хелатоутворюючі речовини, що полегшують проникнення заліза в клітину при нейтральних значеннях рН. Це проникнення відбувається в результаті активного транспорту хелатного заліза і розпаду хелату після його перенесення через плазматичну мембрану. Навіть токсичний іон арсенату може проникнути в клітину шляхом активного транспорту, як у випадку Saccharomyces cerevisiae.

Будь-який з металів, а також миш'як або сурма в  досить високих концентраціях стають токсичними для мікроорганізмів. Прояви цієї токсичності можуть бути різними, наприклад зміна морфології клітин або клітинного метаболізму, бактеріостаз або загибель клітин. У деяких випадках виникають більш толерантні до важкого  металу, миш'яку або сурмі резистентні  штами, тобто такі, для впливу на які необхідна більш висока концентрація токсичної речовини, ніж для впливу на батьківські штами. Зазвичай ця резистентність обумовлена ​​генетичними модифікаціями, часто пов'язаними з плазмідами, а іноді - з статевим фактором або  з хромосомами. Причиною підвищеної резистентності може бути зменшення  проникності клітини для токсичної  речовини або його біохімічне знешкодження. Показано, що виняткова резистентність Scytalidium до міді (витримує концентрацію CuS04 до 1 М) обумовлена ​​кислою реакцією середовища (рН від 2,0 до 0,3) і нездатністю  іонів міді проникати в клітини  при таких значеннях рН, оскільки при реакції середовища, близької до нейтральною, гриб стає чутливим до 4 • 10-5 М CuSO4.

Одні мікроби  знешкоджують важкі метали, миш'як або  сурму, виробляючи речовини, що реагують із зазначеними елементами всередині  клітини (наприклад, при метилюванні  ртуті або миш'яку) або поза її, тобто роблять їх недоступними для  асиміляції мікробом (наприклад, осадження  арсенату або арсенита іонами заліза в процесі окислення арсенопірита за участю Thiobacillus ferrooxidans). Інші мікроорганізми нейтралізують токсичні сполуки, перетворюючи їх ферментативним шляхом в менш шкідливі (прикладом може служити відновлення HgCl2 до HgO.

 

 

Фізіологічний стан організму також визначає його чутливість до інтоксикації важкими металами, миш'яком або сурмою.

Механізм токсичної  дії важких металів, миш'яку і  сурми залежить від природи з'єднання  і розглядуваного організму. Одні елементи, такі, як Си, зв'язуються в основному з клітинної поверхнею, де і локалізуються викликані ними ушкодження. Інші елементи, наприклад Hg, проникають всередину клітини, де зв'язуються з певними функціональними групами, зокрема з SH-групами, інактивуючи таким чином життєво необхідні молекули, такі, як молекули ферментів, або відкладаються в металевій формі.

Існують також додаткові  механізми токсичної дії важких металів, миш'яку і сурми, зумовлені  тим, що останні можуть: 1) грати роль антиметаболітів,

2) утворювати стабільні  опади або хелати з важливими  метаболітами або каталізувати  розпад таких метаболітів, в  результаті чого вони стають  недоступними для клітини ,

3) заміщати структурно  або електрохімічно важливі елементи, що призводить до порушення  ферментативної або клітинної  функції.

Одні мікроби окислюють  відновлені форми важких металів  і сполук миш'яку чи сурми, в той  час як інші відновлюють окислені форми цих елементів у великих  масштабах. При окисленні відновлених  сполук металів принаймні деякі  мікроорганізми можуть отримувати корисну  енергію і відновлює здатність. При відновленні окислених сполук металів ряд мікробів здійснює процес, який є, мабуть, своєрідною формою дихання, що характеризується тим, що окислені сполуки металів, миш'яку чи сурми  служать частково або винятково  в якості кінцевих акцепторів електронів. Такі реакції окислення і відновлення  можуть мати фундаментальне значення в перерозподілі цих елементів  у середовищі.

У табл. 2 перераховані мінерали, багато з яких асоційовані з рудами, піддаються впливу мікроорганізмів.

Таблиця № 2.

Деякі природні мінерали, що містять метали та піддаються впливу мікроорганізмів

Мікроби здатні концентрувати  важкі метали всередині клітин або  на їх поверхні. Відомі такі співвідношення концентрацій різних металів, що містяться  в морській воді і планктоні: кадмій-1: 910, кобальт-1: 4600, мідь-1: 7000, залізо - 1: 87 000, свинець - 1:41 000, марганець - 1: 9400, титан-1:20 000 і цинк-1: 65 000. Загалом кінцева  концентрація металу всередині клітини  може бути на кілька порядків вище його концентрації в навколишньому середовищі. В одних випадках накопичення  відповідних сполук виявляється  летальним, а в інших - ні. На поглинання іонів металів можуть впливати фізіологічний  стан клітин і умови навколишнього  середовища.

Більш стійкі до дії хімічних речовин з неспороутворюючих  кулясті форми. Палочковидні і звиті  форми мікробів при інших рівних умовах швидше гинуть. Спори майже не містять вільної води, мають щільну подвійну оболонку, тому відрізняються більш високою стійкістю до дії хімічних речовин. Таким чином, дія хімічних речовин залежить від складу, концентрації, експозиції, температури та інших факторів [2].

Кислі стічні води шахт являють  собою приклад умов навколишнього  середовища з виключно високими концентраціями важких металів, а також, можливо, миш'яку  і сурми, токсичними для багатьох мікроорганізмів. Тим не менше, в  цих стічних водах була виявлена ​​змішана мікрофлора, що складається  з водоростей, грибів, найпростіших і бактерій, яка, мабуть, специфічно адаптувалася до таких умов.

Викладене вище показує, що у  деяких мікроорганізмів виробилися специфічні механізми взаємодії  з важкими металами, миш'яком і  сурмою, присутніми в навколишньому  середовищі, іноді в концентраціях, які токсичні для багатьох інших  мікробів і вищих форм життя. Мікроорганізми можуть використовувати ці речовини в якості джерел енергії або акцепторів електронів у процесі дихання. У  ряді випадків у мікробів виробилися способи видалення цих речовин  із середовища шляхом їх осадження, адсорбції  або улетучивания. Ці реакції вносять  внесок у детоксикацію середовища, яка стає більш придатною не тільки для мікробів, каталізують такі реакції, а й для інших організмів, нездатних розвиватися без подібної «допомоги» [3].

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

Дослідивши питання механізму  захисту у мікроорганізмів від  дії токсичних речовин, або, якщо казати коротко, механізм детоксикації, я дійшла висновку, що цей механізм у мікроорганізмів дуже розвинений. Тому токсичність важких металів представляє собою проблему скоріше для людини, ніж для мікроорганізмів, які навчилися по-різному пристосовуватися до таких речовин. Мікроорганізми здатні здійснювати трансформацію важких металів у навколишньому середовищі: вилуговувати метали з руд в кислих рудничних стоках, змінювати валентність металів, як, наприклад, при трансформації ртуті в більш-менш токсичні форми, а також при утворенні таких особливих форм скупчень металів, як марганцеві конкреції .