Существует большое разнообразие температурных условий в природных местообитаниях микроорганизмов. Свыше 80 %
биосферы принадлежит к постоянно холодным областям. В одних областях (глубины океанов) низкая температура (около 5° С) остается постоянно, в других (зоны с умеренным климатом) - она меняется в течение года, составляя в среднем 12° С. Значительно меньшую часть биосферы занимают места с постоянно высокой температурой. Это действующие вулканы (1000° С), фумаролы (до 500° С), горячие источники (93-101° С), компосты (до 70° С), а также отходы технологических процессов, например, охлаждающиеся воды ТЭЦ (55-80° С). Основная продуктивная часть биосферы принадлежит к областям с меняющимся температурным режимом. Колебания температуры в течение года могут составлять от 0 до 30° С в зонах умеренного климата, от -80 до +5° С и выше в зоне холодного климата.
Верхние и нижние границы температурного диапазона в разных средах занимают исключительно микроорганизмы. Температура определяет не только интенсивность их развития, но и саму возможность их существования. В зависимости от значения температуры и продолжительности воздействия она может регулировать рост, изменять морфологию и метаболизм, вызывать гибель микроорганизма. Эту температурную зависимость выражают тремя кардинальными точками: минимум - температура, при незначительном снижении которой скорость роста микроорганизмов стремится к нулю, оптимум - температура, при которой скорость роста микроорганизмов является максимальной; максимум - температура, при незначительном повышении которой скорость роста микроорганизмов стремится к нулю.
По отношению к уровню оптимальной температуры все микроорганизмы делят на три основные группы: психрофилы, мезофилы и термофилы. Для психрофилов оптимальной температурой развития является 15-20° С. К ним относятся обитатели холодных источников, северных морей и океанов, а также глубоких озер. Рост этих микроорганизмов возможен в пределах от точки замерзания среды до 30° С. Психрофилы включают большинство светящихся бактерий (род Photobacterium). На питательных средах их культуры излучают свет. Свечение белое, зеленовато-лунное или голубое. Представитель Photobact. fischeri, выделенный из морской воды, растет при 5-10° С.
Одним из факторов, определяющих низкую оптимальную температуру роста психрофилов, является высокая чувствительность белкового синтеза к повышению температуры. Психрофильная бактерия Micrococcus cryophilus при 22,5° С прекращает синтез белка и утрачивает жизнеспособность. У Photobacterium ficheri при 25° С не синтезируются ферменты биолюминесценции и свечение бактерий не происходит. Низкий температурный оптимум роста психрофилов определяется также снижением мощности окислительно-восстановительных ферментов при повышении температуры. Рост психрофилов при низких температурах обеспечивается их способностью регулировать жирно-кислотный состав клеточных мембран. С понижением температуры в фосфолипидах мембран увеличивается содержание ненасыщенных жирных кислот. Это позволяет мембранам находиться при низких температурах в функционально активном жидкокристаллическом состоянии.
К мезофилам относятся микроорганизмы, имеющие температурный оптимум 28-37° С. Это большинство широко распространенных сапрофитных и патогенных бактерий ( Е. coli, Ps. pyocyaneum, Staph, albus, Bas. Subtilis и т. д.).
Термофилы представляют интересную экологическую группу микроорганизмов. К ним относятся микроорганизмы с температурным оптимумом 50-60° С. Они широко распространены в природе, обнаруживаются в почве, воде, иле, торфе, навозе. Но самое интенсивное развитие их наблюдается в местах, постоянно или длительное время подвергающихся воздействию высокой температуры. Естественными очагами обитания термофилов, являются горячие источники. Среди термофилов обнаружены как споровые, так и неспоровые бактерии и актиномицеты. Термофилия
широко распространена среди анаэробных бактерий. Известны маслянокислые, целлюлозные, метанообразующие бактерии. В термальных источниках Камчатки и Курильской гряды чаще других встречаются бактерии рода Clostridium, из горячих ключей Тиберии выделены неспоровые бактерии род. Hyphomicrobium, в почвах и водах Крайнего Севера (о-ва Диксон, Новая Земля) - установлено наличие термофилов: Вас. coagulans и Вас. stearothermophilus.
В 70-80 гг. выявлен ряд новых термофильных микроорганизмов с высоким оптимумом роста - 80-90° С. Они выделены в особую группу экстремально-термофильных бактерий. Представителем является Thermus aquaticus - неспороносная грамотрицательная палочка, выделенная американским исследователем А. Броком в 1968 г. из ила кипящих источников Иеллоустонского национального парка. Оптимум развития этой бактерии соответствует температуре 70-80° С, максимальная температура роста доходит до 93° С. В 1970 г. подобные бактерии найдены в горячих источниках Японии. В связи с тем, что данные бактерии не обнаруживаются в холодных источниках (минимальная температура роста 40° С), есть основание считать, что они приспособлены к обитанию только в горячей воде.
Происхождение термофилов неизвестно. Существует мнение о первичном возникновении термофилов в период преобладания на земном шаре повышенных температур, и они рассматриваются как наиболее древние формы микроорганизмов. Высказывается и другое мнение, согласно которому термофилы произошли в результате спонтанных мутаций из мезофилов. Однако в этом случае понадобилась бы реорганизация всего организма, так как по современным данным структурные клеточные компоненты термофилов, такие, как клеточная стенка, мембраны, рибосомы, а также входящие в их состав белки, липиды, ферменты отличаются от аналогичных компонентов мезофилов как качественно, так и количественно.
Термофильные микроорганизмы разделяют на четыре подгруппы: термотолерантные термофилы - максимальная
температура роста 55-60° С, оптимальная 35-40° С, способны расти и при 20° С; факультативные термофилы - максимальная и оптимальная температура роста 50-65° С. Как и термофилы предыдущей группы, они способны расти при 20° С. Строгие, или облигатные, термофилы - максимальная и оптимальная температуры роста 65-70° С, минимальная - 40° С. Экстремальные термофилы - максимальная температура роста 80-90° С, при температуре 40° С и ниже рост отсутствует.
Биологические особенности термофилов. В настоящее время уделяется много внимания выяснению причин, обуславливающих возможность развития термофилов при повышенных температурах. Развитие молекулярной биологии дало возможность детально изучить функциональную зависимость различных клеточных компонентов от высокой температуры. В 1969 г. американский исследователь А. Брок высказал мнение о решающей роли клеточной мембраны в предохранении клетки от теплового повреждения. Аналогичные мнения имеются и в отношении роли клеточной стенки.
Клеточная стенка термофильных бактерий обладает большой устойчивостью к действию высокой температуры. Это обусловлено ее химическим составом и более термостабильным механизмом синтеза компонентов клеточной стенки.
Мембрана термофилов также отличается высокой механической прочностью, судя по осмотической устойчивости протопластов и сферопластов этих микроорганизмов. Предполагают, что это связано с составом мембранных липидов. Установлено, что в составе мембранных липидов термофильных бактерий преобладают жирные кислоты с длинными и
разветвленными цепочками.
Рибосомы, выделенные из термофильных бактерий, обладают значительно большей термостабильностью, чем рибосомы, выделенные из мезофильных форм. Наибольшая стабильность рибосом у термофилов обусловлена различием в составе и структуре рибосомальных протеинов. Изучение термостабильности рибосом у бактерий Thermus aquaticus и Е. coli (оптимальные температуры роста соответсвенно 70° С и 37° С) показало, что рибосомы первых устойчивы к нагревагнию до 79° С, в то время как вторых разрушаются при нагревании до 59° С. Исследование химического состава рибосом выявило различия в содержании белка и РНК: у Thermus aquaticus белка - 59 %, РНК - 41 %, у Е. coli белка - 41 %,
РНК - 59 %. Увеличение содержания белка, по-видимому,
обеспечивает повышенную термостабильность рибосом клетки.
Кроме того, термофилы характеризуются более высоким содержанием оснований гуанина и цитозина в молекуле рибосомальной и транспортной РНК. Это также связывают с термостабильностью клетки. У термофильных микроорганизмов по сравнению с мезофильными наблюдается более ускоренный синтез иРНК. Это, возможно, позволяет термофилам осуществлять быстрый синтез белка.
Аналогичными свойствами выявлены и у ДНК термофилов. Она также содержит повышенное количество ГЦ и отличается тер м ©стабильностью.
Ферменты термофильных микроорганизмов имеют более высокий температурный оптимум. Особенно высокой терморезистентностью характеризуются ферменты экстремально- термофильных бактерий. Так, аминоацилирующие ферменты, участвующие в синтезе белка у Thermus aquaticus, имеют температурный оптимум 70° С, т. е. температурный оптимум аминоацилирования коррелирует с температурным оптимумом роста этой бактерии. Высокая термостабильность присуща также ферментам гл и колитического превращения углеводов и гидролитическим ферментам. Например, фосфофруктокиназа и фосфоглюкокиназа не инактивировались при прогревании в течение часа при 80° С. Среди гидролитических ферментов высокой термоустойчивостью обладает а-амилаза. Она не инактивируется при нагревании 65-70° С в течение 24 ч.
Перечисленные свойства термофильных бактерий если не полностью, то в значительной мере обусловливают термостабильность бактерий. Многие из этих свойств у облигатнотермофильных микроорганизмов закреплены наследственно, и поэтому последние не могут развиваться в обычных температурных условиях.
Механизм действия температуры на микроорганизмы. Отрицательное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов оказывает как низкая, так и высокая температура. Однако степень влияния и механизм действия разной температуры на клетку
совершенно различны. Низкая температура чаще всего вызывает бактериостатический эффект, проявляющийся в прекращении роста и размножения бактерий. Механизм действия низкой температуры состоит прежде всего в затормаживании биохимических процессов, и только в случае образования кристаллов льда внутри клетки происходят повреждение и разрыв клеточных структур. Разрушающее действие низкой температуры чаще всего имеет место в логарифмической фазе роста культуры.
Наиболее губительна для микроорганизмов высокая температура, обусловливающая свертывание белка, а отсюда - нарушение активности ферментов, проницаемости клеточной стенки, расстраивание слаженного равновесия всех биохимических процессов.
Известно, что повышение температуры способствует ускорению биохимических реакций. Но это ускорение не одинаково для всех типов реакций из-за разного температурного оптимума активности ферментов. В результате происходит дезорганизация внутриклеточного физико-химического равновесия, обеспечивающего нормальное развитие организма. Усиление действия термического фактора сопровождается также изменением физически:: структур макромолекул (протеина, глюцидопротеиновых комплексов и др.).
Рядом исследователей отмечается, что при нагревании бактериальных клеток повышается чувствительность их к действию протеолитических ферментов, а процессу свертывания белка предшествует выделение в окружающую среду РНК. Выделение РНК начинается при более низких температурах, чем денатурация белка.