Потреба прокаріотів у низькій концентрації О2 в довкіллі пов'язана з їх метаболічними особливостями. Багато аеробних азотфіксуючих бактерій можуть зростати в середовищі з молекулярним азотом лише при концентрації О2 нижче 2%, тобто як мікроаерофіли, а у присутності зв'язаного азоту, наприклад амонійного, – на повітрі. Це пояснюється дією молекулярного кисню, що інгібує, на активність нітрогенази – ферментного комплексу, відповідального за фіксацію N2.
Хоча облігатні анаеробні бактерії в цілому дуже чутливі до О2, вони можуть в природі знаходитися в аеробних зонах. Широке поширення представників роду Clostridium в місцях з високим парціальним тиском О2 пояснюється наявністю у них эндоспор, не чутливих до молекулярного кисню. Проте строго анаеробні прокаріоти виявлені в природі в місцях, де спостерігається активний розвиток облігатних аеробів. Ймовірно, спільний розвиток з облігатними аеробами, активно споживаючими молекулярний кисень, що призводить до утворення зон з низькою концентрацією О2, створює можливості і для розвитку строго анаеробних видів.
Існують прокариотні організми, які можуть зростати як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Вивчення цього явища показало, що природа його різна. Бактерії, що не потребують О2 (останній не бере участь в здійснюваних ними метаболічних реакціях), але здатні зростати в його присутності, є за типом здійснюваного ними метаболізму облігатними анаеробами, стійкими до О2 зовнішнього середовища. Прикладом таких організмів служать молочнокислі бактерії. Багато прокаріотів, що відносяться до цієї ж групи, пристосувалися залежно від наявності або відсутності О2 в середовищі перемикатися з одного метаболічного шляху на інший, наприклад з дихання на бродіння, і навпаки. Такі організми отримали назву факультативних анаеробів, або факультативних аеробів. Представниками цієї фізіологічної групи прокариот є ентеробактерії. У аеробних умовах вони отримують енергію в процесі дихання. У анаеробних умовах джерелом енергії для них служать процеси бродіння або анаеробного дихання.
Потреба в О2 в аеробів визначається його участю в енергетичних і конструктивних процесах. У першому випадку О2 служить обов'язковим кінцевим акцептором електронів, в другому – бере участь в реакціях на шляху багатоступінчастого перетворення клітинних метаболітів або екзогенних субстратів. В облігатних аеробів велика частина О2 використовується як кінцевий акцептор електронів в реакціях, цитохромоксидазами, що каталізують. Менша частина включається в молекули за допомогою ферментів, що отримали загальну назву оксигеназ. У клітинах факультативних анаеробів також містяться цитохромоксидази. В облігатних анаеробів немає ферментів, що каталізують взаємодію з О2. [3]
1.5 Вплив температури
Всі фізико-хімічні процеси, що забезпечують функціональну активність клітини, а також стан її макромолекул, більшою чи меншою мірою залежать від температури.
З підвищенням температури швидкість хімічних реакцій зростає, отже, швидкість росту мікроорганізму збільшується. Проте при високих значеннях температури білки, нуклеїнові кислоти і інші компоненти клітин можуть безповоротно інактивуватися, що призводить до її загибелі. При дуже низькій температурі також порушуються процеси біосинтезу, і зростання припиняється.
Для кожного організму існує мінімальна температура, нижче за яку зростання не спостерігається, як би довго не тривав період інкубації. Оптимальна температура, при якій організм зростає з найбільшою швидкістю, і максимальна температура, вище за яку зростання неможливе. Оптимальна температура завжди ближче до максимальної, ніж до мінімальної. Ці три температурні позначки, названі кардинальними, характерні для кожного виду або навіть штаму.
Значення кардинальних температур можуть декілька змінюватися під впливом різних чинників середовища, наприклад, при вирощуванні мікроорганізмів на різних живильних середовищах. В більшості випадків зростання бактерії відбувається в температурному інтервалі порядку 40 °С, але інколи ці рамки значно вужчі. Температурні інтервали, в яких можливе зростання бактерій в природі, широкі – від негативних до значень вище 100 °С. Значення кардинальних температур у різних бактерій вельми істотно розрізняються. По відношенню до температури бактерії ділять на мезофіли, термофіли і психрофіли.
Мезофіли достатньо поширені в природі, їх можна виявити в грунті, у воді помірних і тропічних широт, в організмі різних тварин і людини. Діапазон температур, в якому можливе зростання тих або інших форм мезофільних бактерій, різний, так само як всілякі значення їх кардинальних температур.
До термофільних відносять організми, які зростають при температурі вище 45–50 °С. Залежно від значень кардинальних температур серед термофільних бактерій розрізняють: облігатні термофіли, що мають температурний оптимум 65–70 °С і мінімум вище 40–42 °С, факультативні термофіли з температурним максимумом 50–65 і мінімумом менше 20 °С і термотолерантні бактерії з температурним максимумом 45–50 °С. Бактерії з температурним оптимумом вище 70 °С визначають як екстремально термофільні. Термотолерантні бактерії здатні переносити досить високу температуру без порушення нормального зростання. Вони відрізняються від термофільних, що віддають перевагу високим значенням температури, по характеру зміни швидкості росту при підвищенні температури культивування. [1] Психрофіли ж вимагають окремого розгляду.
2. Характеристика психрофілів
Область температур розмноження психрофілів лежить в межах від -10 до +20о С і вище. У свою чергу, психрофіли поділяються на облігатні та факультативні.
Основна відмінність між підгрупами полягає в тому, що облігатні психрофіли не здатні до зростання при температурі вище 20оС, а верхня температурна межа зростання факультативних форм набагато вища. Таким чином, факультативні психрофіли характеризуються ширшим температурним діапазоном, при якому можливе їх зростання. Якщо в області низьких температур вони схожі з облігатними формами, то в області підвищених температур володіють здатністю розмножуватися в значно вищих температурних межах. Розрізняються вони також і оптимальними температурними зонами зростання, що знаходяться в облігатних психрофілів значно нижче, ніж у факультативних.
Існування двох типів психрофілів пояснюється особливостями їх середовища існування. Облігатні психрофіли пристосувалися до стійких холодних умов (глибини морів та океанів, крижані печери). Психрофіли іншого типу пристосувалися до існування в нестійких холодних умовах. У природі більшість психрофілів представлена факультативними формами. Здатність психрофілів зростати в умовах низьких температур пов'язують в першу чергу з особливостями їх ферментних білків і мембранних ліпідів. Збільшення в останніх вмісту ненасичених жирних кислот дозволяє мембранам знаходитися у функціонально активному рідинно-кристалічному стані при низьких температурах. Обов'язкова умова можливості зростання психрофілів при мінусових температурах – знаходження води в рідкому стані.
Зростати при низькій температурі можуть також організми, що одержали назву психроактивних («психротрофних»). По суті це евритермні організми, що мають достатню активність при низькій температурі. Екофізіологічна відмінність між психрофілами і психроактивними організмами досить велика. Психрофіли існують в постійно холодних умовах, наприклад, в глибинах океану або глибоких водоймищах, де коливання температури дуже незначні. Психроактівні пристосовані до сезонних змін клімату, в теплий період вони накопичують біомасу, але продовжують зростати і в той час, коли активність інших пригнічена. Пристосування до пониження температури зв’язують із зміною складу мембран і із здатністю до створення криопротекторів. При знижених температурах знижується не лише швидкість росту, але і швидкість відмирання, і, відповідно, збільшується виживання. Інший механізм пов'язаний з підвищеним синтезом ключових ферментів що мають вищий температурний оптимум, але лише завдячуючи накопиченню тих, що зберігають достатню для функціонування клітин активність. Серед психрофілів багато протистів і багатоклітинних [4].
Психрофілія не є властивістю якийсь конкретною систематичної групи. Важливими первинними продуцентами в таких умовах, мабуть, служать еукаритичні водорості. Так «снігова» зелена водорость Chamydomonas nivalis, вегетативні клітини якої забарвлені в зелений колір, а спори в червоний колір утворює рожеві нальоти на поверхні снігу і льоду. У покритих льодом водах Антарктики виявлено діатомові і зелені водорості.
Багато психрофілів є грамнегативними бактеріями і їх представники виявлені серед родів Vibriо, Рseudomonas Асhrоmоbасtеr, Flavobacterium, Cytophaga. Серед грамнегативних бактерій психрофіли описані у видів роду Clostridium.
Психрофіли широко поширені в природі, оскільки вони формують постійну мікрофлору регіонів вічного холоду, полярних регіонів і океанів, які займають14 і 71% поверхонь Землі відповідно.
В даний час психрофіли знайдені в південній частині Антарктиди і гірських льодовиках Арктики. Океани також є природним середовищем існування психрофільних бактерій, де вони знаходяться у воді у вільному стані або в симбіозі з морськими рослинами або тваринами
Аналіз проб морської води на 16S рРНК показав присутність у ній різних архей. По числу і різноманітності представників бактерії зазвичай домінують над археями, хоча на великих глибинах морів і океанів знайдені еквівалентні кількості архей, які відносять частіше до родів Меthanogenium і Меthanococcus [13].