Питание бактерий — это совокупность способов добычи, транспорта и использования веществ и энергии для построения клеток и их жизнедеятельности. У бактерий оно невероятно разнообразно: они умеют «есть» почти всё, что вообще доступно на Земле — от сахаров и белков до сероводорода, аммиака, железа и даже нефти. Ниже — разложу по полочкам.

Источники углерода, энергии и электронов

Удобная классификация — по трём «столпам»: откуда берут углерод (для построения клеток), энергию и восстановители (электроны).

• По углероду
  Автотрофы — строят органику из CO₂ (например, цианобактерии).
  Гетеротрофы — используют готовые органические соединения (белки, жиры, сахара, органические кислоты).

• По энергии
  Фототрофы — улавливают свет (фотосинтезирующие бактерии: цианобактерии, пурпурные и зелёные серные).
  Хемотрофы — получают энергию из химических реакций окисления (глюкоза, сероводород, аммиак, железо и т. п.).

• По донорам электронов
  Литотрофы — окисляют неорганику (H₂, H₂S, NH₃, Fe²⁺).
  Органотрофы — окисляют органику (сахара, аминокислоты, жирные кислоты).

Комбинируя эти признаки, получают типы вроде «фотоавтотроф-литотроф» (цианобактерии) или «хемогетеротроф-органотроф» (кишечная палочка). Есть и миксотрофы, способные переключаться в зависимости от условий.

Что именно они едят

• Органические субстраты: моносахара (глюкоза, фруктоза), дисахара (лактоза, сахароза), полимеры (крахмал, целлюлоза, хитин), аминокислоты, пептиды, жирные кислоты, спирты, органические кислоты.

• Неорганика (для литотрофов): H₂, NH₃/NO₂⁻ (нитрификаторы), H₂S/S⁰ (серные бактерии), Fe²⁺ (железоокисляющие), CO (реже).

• Азот: NH₄⁺, NO₃⁻, некоторые — фиксируют N₂ из воздуха (ризобии, азотобактер).

• Фосфор: обычно ортофосфаты (PO₄³⁻).

• Сера: сульфаты, сульфиды; органосера.

• Микроэлементы и факторы роста: K, Mg, Ca, Fe, а также витамины, НАД-предшественники и т. п. Некоторые штаммы нуждаются в готовых аминокислотах/нуклеотидах (ауксотрофы).

Как бактерии получают питательные вещества

1. Внесеклеточное расщепление: выделяют экзоферменты (протеазы, липазы, целлюлазы), которые распиливают крупные полимеры до переносимых мономеров.

2. Пассивная и облегчённая диффузия: через мембранные порины (особенно у грамотрицательных).

3. Активный транспорт: переносчики-пермеазы, затраты АТФ/протонного градиента.

4. Групповая транслокация (PTS): при переносе, например, глюкоза сразу фосфорилируется — экономно и быстро.

5. ABC-транспортеры: высокоспецифичные системы с белками-переносчиками.

6. Сидерофоры: хитрые хелаторы железа; бактерии «вытягивают» Fe³⁺ из окружающей среды и конкурируют между собой за этот дефицитный ресурс.

Что происходит внутри: пути получения энергии

• Дыхание (окислительное фосфорилирование)

  • Аэробное: конечный акцептор электронов — O₂ (самый «выгодный» по энергии).

  • Анаэробное: вместо кислорода — нитрат (NO₃⁻ → N₂/NO₂⁻), сульфат (SO₄²⁻ → H₂S), фумарат, оксид трииметиламина и др.

• Брожение: когда нет подходящих внешних акцепторов; субстраты частично окисляются, продукты — молочная кислота, этанол, уксусная, масляная кислоты, 2,3-бутандиол и др.

• Фотосинтез: кислородный (цианобактерии) и аноксигенный (используют H₂S, S⁰; О₂ не выделяют).

• Хемолитотрофия: энергия из окисления NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (нитрификация), H₂S → S⁰ → SO₄²⁻, Fe²⁺ → Fe³⁺ и т. п.

Роль кислорода и экология питания

• Облигатные аэробы: им нужен O₂ (Pseudomonas).

• Факультативные анаэробы: могут и так, и так (E. coli, многие дрожжи у бактерий нет, но для сравнения).

• Облигатные анаэробы: кислород токсичен (Clostridium).

• Микроаэрофилы: предпочитают пониженный O₂ (Helicobacter).

• Аэротолерантные: O₂ не используют, но терпят его.

В био-плёнках питание неоднородно: сверху — кислород, в глубине — анаэробные зоны; отсюда кооперация и обмен метаболитами между видами.

Запасы и «экономия»

Многие бактерии запасают:

• Поли-β-гидроксибутират (PHB) и другие полиэстеры — «жировые» капли.

• Гликоген — углеводный запас.

• Полифосфаты — депо фосфора и энергии.
  Эти запасы помогают пережить голод и быстро стартовать при появлении субстрата.

Связь с условиями среды

Температура, pH, осмотическое давление, ионный состав определяют, что и как усваивается. Например, кислотопрочные бактерии активно импортируют калий и прокачивают протоны, а галофилы настраивают транспорт осмолитов (бетаин, пролин).

Типы питания в отношениях с хозяином/средой

• Сапротрофы — разлагают мёртвую органику (основа круговорота веществ в природе).

• Паразиты — питаются за счёт тканей хозяина, могут вызывать болезни.

• Симбионты/комменсалы — обмениваются питанием с хозяином (кишечные микробы перерабатывают пищевые волокна в короткоцепочечные жирные кислоты).

Питательные среды в лаборатории (как это используют люди)

• Богатые (сывороточные, мясо-пептонные, LB) — «шведский стол» для большинства гетеротрофов.

• Минимальные — строго заданные соли + источник углерода/азота; на них растут «прототрофы».

• Избирательные и дифференциальные — под конкретные группы (солёные для стафилококков, среды с лактозой и индикатором для кишечных).

Зачем это знать

Понимание питания бактерий позволяет:

• подбирать удобрения/режимы для биотехнологий (брожения, очистка сточных вод, биодобыча металлов),

• управлять микробиомом (диета → метаболиты → здоровье),

• разрабатывать антибиотики и антисептики (блокада транспортёров, хелирование железа),

• прогнозировать поведение патогенов в разных тканях (где есть нужные им субстраты и акцепторы).

Если коротко: бактерии используют невероятно широкий спектр субстратов; добыча и переработка питательных веществ завязаны на тонкие транспортные системы, ферменты и дыхательные цепи, а тип питания определяет, где бактерия может жить и как будет себя вести.