Файл: Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник.pdf

строение. У большинства коловраток довольно четко можно выделить головной отдел, туловище и ногу. Нога заканчивается пальцеили кинжалообразными отрост­ ками, с помощью 'которых коловратки могут прикреп­ ляться к субстрату. Головной отдел Rotatoria снабжен коловращательным аппаратом, состоящим из разнооб­ разно расположенных ресничек различной длины. Рес­ нички находятся в постоянном движении, за счет чего животное движется, а к ротовому отверстию подгоняется пища (бактерии, простейшие, органический детрит). По способу добывания пищи коловратки относятся к седи-

кишки и выделительных органов. Туловище коловраток покрыто панцирем. В неблагоприятных условиях голова и нога втягиваются под панцирь, образуя подобие цисты.

Коловратки широко распространены в природных во­ дах, некоторые виды населяют почву. На очистных со­ оружениях канализации часто встречаются Philodina roseola, Callidina vorax, Cathypna Iuna (рис. 12)-

К немикроскопическим животным организмам, раз­ вивающимся в очистных сооружениях или участвующим в биохимических процессах, протекающих в природных водах, относятся черви, низшие ракообразные, личинки насекомых, моллюски.

Черви (Vermes). Наибольшее значение имеют малощетинковые (Oligochaeta) и круглые (Nematodes) чер­ ви (см. рис. 12).

Tubifex (1—4 см) и Nais (0,5—2 см) очень непритяза­ тельны в выборе места обитания, хорошо развиваются в водоемах с грязной водой. Живут олигохеты зарыв­ шись в ил. Пища их состоит преимущественно из орга­ нического детрита. Заглатывая иловые частички, черви частично минерализуют их.

Круглые черви тоже йлоеды, живут в водоемах и развиваются на очистных сооружениях в биофильтрах. Среди червей много форм, ведущих паразитический об­ раз жизни на одной или нескольких стадиях своего раз­ вития. К ним относятся гельминты, паразитирующие в

48

организме человека. Яйца таких гельминтов, как аска­ риды, власоглавы, острицы, развиваются до инвизионной стадии (стадии, на которой они могут вызвать зара­ жение) во внешней среде. При этом они длительное вре­ мя сохраняют жизнеспособность даже в неблагоприятных

Рис. 12 Некоторые организмы природных и сточных вод

условиях благодаря наличию в скорлупе яиц внут­ ренней полупроницаемой липоидной оболочки. Поэтому вода открытых водоемов и почва могут быть источника­ ми заражения человека паразитирующими червями.

Низшие ракообразные. Среди обитателей пресных во­ доемов к этой группе относятся ветвистоусые и веслоно­ гие рачки. Веслоногие рачки, из которых наиболее рас­ пространены циклопы (Cyclops) и диаптомусы (Diaptomus), плавают с помощью нескольких пар грудных ног.

Органами движения ветвистоусых рачков (Daphnia) служат антенны, оперенные плавательными щетинками (см. рис. 12).

Низшие ракообразные питаются процеживая воду через специальные органы. Отфильтрованная взвесь сжимается в комочки и поступает в рот. По способу до­ бычи пищи рачков относят к активным фильтраторам, так как они создают токи воды либо с помощью антенн (циклопы), либо грудными ножками (дафнии). Пищей тем и другим служат бактерии, микроскопические водо­ росли, органическая взвесь. Сами рачки служат пищей

текают в водной среде. Вследствие этого личинки и ку­ колки насекомых составляют значительную часть насе­ ления больших и малых водоемов. Развиваются они в определенные периоды и на очистных сооружениях, в ча­ стности в биофильтрах (см. рис. 12).

Личинки насекомых населяют илистое дно водоемов, обитают в водной среде, роют ходы в берегах рек. Раз­ виваясь в больших количествах, они служат пищей ры­ бам многих пород и играют важную роль в минерализа­ ции органических веществ. Одни виды личинок собира­ ют детрит со дна, другие питаются фильтруя воду через специальные органы либо строя для этой цели яовчие сети-домики, третьи соскребают пищевые частицы с по­ верхности водных растений и их остатков.

К числу самых распространенных донных организмов пресных вод относятся личинки Chironomidae. Они оби­ тают в лужах, болотах, больших реках и озерах. Боль­ шинство из них питаются детритом, но,есть и хищные формы, нападающие на тубифицидов, низших рачков и более мелких личинок.

Двустворчатые моллюски благодаря работе ресничек мантии и жабер загоняют воду в мантийную полость. Взвешенные в воде частички оседают на поверхности

50

жабр и других частей тела, чему способствует слизь, вы­ деляемая моллюском. Осевший пищевой материал рес­ ничками подается к ротовому отверстию, а непригодные для питания частички собираются в комочки и в виде псевдофекалий выбрасываются наружу. Пищей служат простейшие, низшие рачки и водоросли.

Г л а в а V

ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология — наука, изучающая процессы, протекающие в живом организме, и их взаимосвязь с ус­ ловиями окружающей среды.

§ 22. Обмен веществ

Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельно­ сти выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических пре­ вращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Вещества, из ко­ торых состоит клетка, также не остаются неизменными, они постоянно обновляются. Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождаю­ щихся постоянным ее обновлением, и называется обме­ ном веществ.

Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется ассимиля­ цией— это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции, т. е. процес­ сы разложения и окисления органических веществ, в ре­ зультате которых клетка получает энергию, — это энер­ гетический обмен. Конструктивный и-энергетический ме­ таболизм составляют единое целое.

Живые организмы могут использовать только хими­ чески связанную энергию. Каждое вещество, входящее в состав клетки, обладает определенным запасом потен­ циальной энергии, за счет которой и могут осуществ­ ляться разнообразнейшие биохимические реакции. Эта

энергия носит название свободной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к- освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину порядка 3000 кал/моль. Такие связи называются нормальными. В других связях за­

связи. Почти все известные соединения, обладающие та­ кими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в метаболизме клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Именно та энергия, которая высвобож­ дается при разрыве макроэргических связей АТФ, погло­ щается в реакциях синтеза и в других эндотермических процессах. АТФ, таким образом, выполняет роль постав­ щика энергии для эндотермических реакций.

Вживом организме непрерывно происходит перерас­ пределение энергии между веществами. В конечном ито­ ге энергия питательных веществ превращается в энер­ гию, потребляемую организмом в процессе развития, раз­ множения, в энергию движения, частично рассеивается в виде тепла.

Впростейшей бактериальной клетке находится око­ ло 40 млн. различных органических молекул, огромное число молекул воды, минеральные соли. В клетке одно­ временно протекает большое количество разнообразных реакций, идущих с высокой скоростью и в строгой по-> следовательности. Согласованность и быстрота всех хи­ мических реакций в клетке объясняется наличием в ней особых соединений — катализаторов, называемых фер­ ментами.

§23. Ферменты

Ферментами (или энзимами) называются сложные белковые соединения, выполняющие роль ка­ тализаторов в биохимических реакциях. Ферменты син­ тезируются самой клеткой.

Как и неорганические катализаторы, ферменты ус­ коряют только те реакции, которые протекают самопро­ извольно, но с очень малыми скоростями. В то же время ферментативный катализ значительно отличается от

52

неферментативного. Одной из основных особенностей ферментов по сравнению с химическими катализатора­ ми является, их способность действовать в «мягких» ус­ ловиях, т. е. при достаточно низких температурах, нор­ мальном давлении и реакции среды, близкой к нейтраль­ ной. Каталитическая активность ферментов при этом чрезвычайно высока. Например, ионы железа каталити­ чески ускоряют реакцию разложения перекиси водорода, а атомы того же железа в составе фермента каталазы проводят эту реакцию в 10 млрд. раз быстрее.

Вторая особенность ферментов заключается в стро­ гой специфичности их действия и проявляется в их спо­ собности реагировать лишь с определенным химическим соединением, классом соединений или действовать на оп­ ределенную химическую, связь.

Процесс превращения веществ в клетке представля­ ет собой целую серию последовательных биохимических реакций, каждую из которых катализирует соответст­ вующий фермент. При этом продукт одной реакции слу­ жит субстратом для следующей. Такая кооперативность и строгая последовательность в действии ферментов яв­ ляется их самым существенным отличием от катализа­ торов иной природы.

Все ферменты по своей химической природе относят­ ся к белковым соединениям и имеют высокий молекуляр­ ный вес, достигающий сотен тысяч и миллионов. На по­ верхности их гигантских молекул и протекают каталити­ ческие реакции.

По строению молекулы ферменты подразделяются на одно- и двухкомпонентные. Первые представляют собой простые белки — протеины. На отдельных участках мо­ лекулы ферментов-протеинов в результате определен­ ного пространственного расположения остатков амино­ кислот создаются так называемые активные центры, в которых протекают каталитические реакции. Активные центры реагируют только с тем субстратом, пространст­ венная конфигурация которого совпадает со структурой центра. Этим и обусловлена специфичность действия' ферментов.

Большинство ферментов являются сложными белка­ ми— протеидами. Их молекула состоит из двух частей: 1) белковая часть — называется носителем или апоферментом; 2) небелковый компонент, обладающий катали­ тической активностью, — называется коферментом или

53

простетической группой. Активность этой группы,,, отде­ ленной от апофермента, невелика. Белковый носитель увеличивает активность кофермента и определяет специ­ фичность его действия. Роль коферментов часто выпол­ няют витамины или соединения, содержащие их.

По месту действия' ферменты подразделяются на внутриклеточные ферменты (эндоферменты) и ферменты, которые клетка может выделять во внешнюю среду (экзоферменты). К последним относятся главным образом гидролитические ферменты, катализирующие расщепле­

ние сложных субстратов до более простых веществ, способных про­ никать в клетку.

тзависит от температуры, величи-

синильная кислота, антибиотики резко снижают актив­ ность ферментов и являются ингибиторами, которые блокируют активные центры фермента, препятствуя его реакции с субстратом.

Белковая природа ферментов обусловливает их неус­ тойчивость (лабильность), выражающуюся в том, что ферменты теряют активность в неблагоприятных, услови­ ях среды. Одним из важнейших факторов внешней сре­ ды является температура. Зависимость активности фер­ мента от температуры носит сложный характер (рис. 13). С повышением температуры скорость ферментатив­ ного процесса, как и большинства химических реакций, возрастает, но в отличие от них в довольно узких преде­ лах. По достижении определенной температуры, харак­ терной для 'Каждого фермента, наблюдается падение скорости ферментативной реакции. Уменьшение скоро­ сти связано с деструкцией белковой части фермента при повышенных температурах и потерей в результате этого каталитической активности.

54