Глава 2 физиология микроорганизмов

 

Основными физиологическими функциями микробов являются процессы, которые обеспечивают их жизнедея­тельность,— это питание, дыхание, рост, развитие и др. Изменения, вызываемые микробами во внешней среде, типичны для каждого из них. Для успешного примене­ния микробов в пищевой промышленности необходимо знать их физиологические свойства.

 

Обмен веществ

Для поддержания жизни любая живая клетка нужда­ется в постоянном притоке энергии, которую она полу­чает в процессе обмена веществ. Обменом веществ — метаболизмом — называют совокупность химиче­ских реакций, протекающих в клетке в процессе жизне­деятельности. Процесс питания заключается в поступле­нии и усвоении пищи — ассимиляции. Однако по хими­ческой природе вещества пищи отличаются от веществ клетки, поэтому они подвергаются сложным превраще­ниям и переработке. Прежде всего они расщепляются — эта сторона обмена веществ называется катаболиз­мом и происходит в несколько стадий. Сначала пита­тельные вещества распадаются на макромолекулы-полимеры: белки, полисахариды, полинуклеотиды. Затем они расщепляются на мономеры — низкомолекулярные сое­динения: сахара, жирные кислоты, ароматические веще­ства и др. Как правило, эти процессы происходят вне клетки под действием выделяющихся экзоферментов. В результате образуются моно- и димерные соединения» которые поглощаются клеткой, и из них синтезируются вещества самой клетки. Этот обмен называется строи­тельным, или анаболизмом, и также протекает в несколько этапов. Вначале в клетке синтезируются моно­меры, свойственные данному организму, из них образу­ются «строительные блоки» — «кирпичики», из которых строятся все вещества живой клетки: аминокислоты, са­хара, нуклеотиды, органические кислоты и др. Заверша­ется строительный обмен синтезом макромолекул: бел­ков, полинуклеотидов, запасных соединений, веществ клеточной стенки и др.

Процесс обмена веществ в живой клетке - катабо­лизм и анаболизм - изображен на схеме.

Для процессов метаболизма нужна энергия, которую клетка получает окислением органических веществ. Эта деятельность клетки называется энергетическим обме­ном, а окисление органических веществ для ее получе­ния - дыханием. Таким образом, питательные вещества расходуются клеткой в двух направлениях: для синтеза вещества тела и для обеспечения организма энергией.

Процессы питания и дыхания теснейшим образом связаны в клетке и осуществляются одновременно. Они обеспечивают все жизненные функции организма. Про­дукты обмена, образующиеся при этом, выделяются из клетки во внешнюю среду. Энергия в клетке освобожда­ется при реакциях окисления органических веществ - углеводов, жиров и др. Однако она не выделяется сво­бодно в виде тепла, а аккумулируется в соединениях, бо­гатых энергией, - экзэргонических связях.

В то же время для синтетических реакций и осуще­ствления других физиологических функций клетки постоянно расходуется энергия. Реакции обмена в клетке должны быть строго энергетически сопряжены. Для на­капливания и расходования энергии нужна специальная система, регулирующая эти процессы, иначе жизнь клет­ки будет невозможной. При всех функциях клетки про­исходит потребление энергии, т. е. распад АТФ - адено-зинтрифосфорной кислоты на АДФ - аденозиндифос-форную кислоту, гораздо более бедную энергией.

Содержание АТФ в клетке затем должно быть вос­становлено, это происходит за счет окисления углеводов и других энергетических материалов. Эту важнейшую функцию регулирования процессов накопления и расхо­дования энергии внутри клетки и выполняет система АТФ^АДФ. При этом АТФ является «топливом» клет­ки, аккумулируя в себе всю свободную энергию. АТФ — это универсальный источник энергии для функциональ­ной деятельности клетки, единый клеточный фонд энер­гии, который позволяет перераспределять и транспорти­ровать энергию из одних участков клетки в другие.

Основная масса АТФ синтезируется в митохондриях клетки, небольшая часть ее -— в цитоплазме и ядре.

Микробы отличаются от животных и растений чрез­вычайно интенсивным обменом веществ и многообрази­ем путей биосинтеза. При благоприятных условиях внеш­ней среды одна клетка может переработать за одни сут­ки вещества в несколько десятков раз больше, чем ее собственная масса. Это свойство используется в техни­ческой микробиологии при переработке растительного сырья. Оно же является причиной порчи пищевых про­дуктов.

 

2.2 Химический состав микроорганизмов

Химический состав микробной клетки

Вода - до 80-90% свободная и связанная, которая входит в состав цитоплазмы.

 Роль: - растворитель,

- участие в биохимических реакциях,

- источник ионов,        

- регулирует рН

Белок – протеины - простые, протеиды – сложные.

Роль: - пластические вещества, входят в состав живого вещества, входят в состав ферментов,

- питательное вещество.

Углеводы

- простые,

-сложные,

-гликоген,

- крахмал.

Роль:

 -источник энергии,

- питательное вещество.

Липиды - свободный жир, жирные кислоты,

-воск,

-глицерин

Роль:

 -защитная,

-питательное вещество,

-источник энергии.

РНК и ДНК - передача генетического материала

Минеральные соединения и микроэлементы - регулируют рН.

Ферменты (энзимы) – белки, биологические катализаторы, которые участвуют в биохимических реакциях.

В состав любого организма входят все известные хи­мические элементы и их изотопы. По количественному содержанию они делятся на макро-, микро- и ультрами­кроэлементы. Давно известно, что 99% массы растений, животных и человека составляют 10 химических элемен­тов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера и железо. Их называют макро­элементами. На долю остальных химических эле­ментов приходится около 1%, поэтому их называют микро- и ультрамикроэлементами. К ним отно­сятся молибден, медь, бор, йод, кобальт и др.

Долгое время считали, что макроэлементы могут пол­ностью обеспечить потребность любого организма в пи­тательных веществах и остальные элементы присутству­ют случайно. Однако это мнение оказалось ошибочным: растениям, животным и микроорганизмам в одинаковой степени необходимы не только макро-, но и ультрами­кроэлементы. При полном их отсутствии организмы по­гибают, а при резком недостатке подвергаются тяжелым заболеваниям.

Отдельные питательные макро-, микро- и ультрами­кроэлементы не заменяют один другого и каждый из них выполняет определенную физиологическую роль. Так, углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера входят в состав важнейших органических соединений, поэтому их обычно называют органогенными эле­ментами. Из них построены белки, жиры, углеводы, ви­тамины и др.

Потребность организмов в микро- и ультрамикроэле­ментах невелика, но их физиологическая роль равноцен­на роли макроэлементов. Она заключается в непосред­ственной связи микроэлементов с ферментами и витами­нами. Каждый микроэлемент оказывает специфическое действие на жизненные процессы. Например, при отсут­ствии или недостатке молибдена прекращается синтез белка у растений и животных, а также усвоение молеку­лярного азота воздуха почвенными микроорганизмами. При недостатке бора растения также резко отстают в росте.

Медь и марганец входят в состав некоторых окисли­тельных ферментов и витаминов, и при их отсутствии организмы погибают. Цинк также необходим всем орга­низмам.

В состав всех природных тел и организмов входят естественно радиоактивные элементы. В земной коре со­держится около 2,4% калия и по 0,001% радиоактивных элементов: урана, тория, самария и рубидия. Радий со­держится в количестве 10~¹⁰%. Эти элементы из почвы, атмосферы и природных вод усваиваются растениями, затем попадают в организм человека и животных. В ма­лых количествах они необходимы для жизни в такой же степени, как и другие микроэлементы. Недостаток их вызывает понижение жизнедеятельности и заболевания, как и при недостатке микроэлементов.

Микроорганизмы почвы обычно накапливают в клет­ках значительно большее количество естественно радио­активных элементов по сравнению с обычным содержа­нием их во внешней среде.

Вегетативные клетки микроорганизмов содержат до 85% воды. В зависимости от условий внешней среды со­держание свободной воды в клетках может меняться. При этом потеря воды влечет за собой высыхание клет­ки и некоторые изменения в обмене веществ. Потеря во­ды нарушает клеточные структуры и вызывает гибель клетки.

Сухое вещество тела микроорганизмов состоит в ос­новном из органических соединений - белков, углеводов, жиров и др.

Среди органических веществ клетки на долю белков у бактерий приходится 50-80% от массы сухих веществ, у дрожжей 40-60% и у грибов 15-40%. Важнейшая роль в жизни микроорганизма принадлежит белкам, ко­торые имеют в основном такое же строение, как и белки высших растений и животных.

Некоторые белки входят в состав ферментов. Особое место занимают нуклеопротеиды, в состав которых вхо­дят кроме белка также и нуклеиновые кислоты.

Богатство микроорганизмов белками широко исполь­зуется для получения белковых продуктов из непищево­го сырья. Настоящих белков в дрожжевой клетке содер­жится около 64%, среди них наиболее известны зимо-казеин и церевизин. Аминокислот и полипептидов содер­жится около 10% и фосфорсодержащих белков - около 26%. Белки клеточного ядра -нуклеопротеины со­стоят из РНК и ДНК и при расщеплении образуют по­следовательно пиримидины, пурины и, наконец, амино­кислоты.

В клетках микроорганизмов большое значение имеют также углеводы. Они используются для синтеза белков, жиров, участвуют в построении клеточных оболочек и капсул, служат также энергетическим материалом в ды­хательных процессах. Углеводы в теле микроорганизмов встречаются в виде пентоз, гексоз и полисахаридов - гликогена, гранулезы, декстрина и клетчатки, а также близких к ней соединений.

Углеводы дрожжевой клетки состоят в основном из гликогена - сложного вещества углеводного характера, отличающегося от крахмала структурой молекулы. Гли­коген вместе с трегалозой является запасным углевод­ным веществом клетки, содержание его подвержено большим колебаниям.

В состав ядерного вещества дрожжей входят преиму­щественно белки и нуклеиновые кислоты: 60% сухого вещества ядра составляют нуклеиновые кислоты, глав­ным образом ДНК, 35% - белки и 5% -другие веще­ства, в том числе жиры, соли и углеводы. ДНК сосредо­точена в отдельных субъединицах - хромосомах.

Клеточная оболочка (стенка) дрожжей имеет слож­ное химическое строение. Она состоит из двух слоев: ос­новного - внутреннего, состоящего из углевода глюкана и хитина, и наружного, в состав которого входят углевод маннан, азотсодержащие вещества, липиды и энзимы. Клеточная оболочка дрожжей содержит (в %): маннан-протеина 31, глюкана 29, белка 13 и липидов 8,5. В ходе брожения, а также роста клеток состав клеточных сте­нок изменяется. При этом меняется и соотношение поли­сахаридов клеточной стенки - глюкана и маннана, что играет важную роль в процессе флокуляции. Внутрикле­точное рН дрожжей 5,0 - 6,0.

Содержание жиров и липоидов в микроорганизмах составляет обычно до 3—7% от массы сухих веществ и лишь у некоторых дрожжей достигает 40%. Они нахо­дятся в свободном состоянии и в качестве составной ча­сти протоплазмы и клеточных оболочек в виде липопротеидов. Жировые вещества используются как энергети­ческий материал и как запасные питательные вещества. Различные красящие вещества также являются орга­ническими соединениями и в значительном количестве содержатся во многих бактериях и грибах. Минеральные вещества составляют не более 15% от массы сухих ве­ществ. В живой клетке значительная часть зольных эле­ментов химически связана с органическими веществами и входит в их состав.

В золе микроорганизмов обнаружены различные'ми­неральные вещества, из них больше всего содержится фосфора. Он входит в состав белков и других важней­ших соединений цитоплазмы и принимает участие в про­цессах обмена веществ. При помощи минеральных веществ регулируется осмотическое давление внутри клет­ки. В этом отношении особенно велика роль калия, магния, железа и некоторых других элементов.

Среди неорганических веществ дрожжевой клетки около 50% состоят из фосфорной кислоты и 30% калия. Примерно 30—50% фосфорной кислоты в клетках свя­зано с органическим веществом (фосфорорганические соединения), входя в состав нуклеопротеинов лецитина и др. Другая часть фосфорной кислоты находится в ви­де свободных фосфорнокислых солей. В золе дрожжей содержится (в %): Р₂О₅—47—73, К₂О — 2,8—40, СаО — 0,4—11,3, MgO —3,0—7,4, SiO₂—0,28—0,73, SO₃—0,09— 0,74, Cl—0,1—0,65. Кроме того, в небольших количест­вах обнаружены S, Zn, Mn, Си и Fe.

Дрожжи являются богатейшим источником витами­нов группы В и содержат эргостерин (провитамин D). В зависимости от физиологического состояния дрожжей химический состав клетки существенно изменяется.

 

2.3 Питание

 

Органов питания нет. Питательные вещества поступают через всю поверхность клетки. Для питания нужны: 0₂, N, Н, С.

О₂ и Н берут из воздуха и воды. По источникам N и С микроорганизмы делятся на 2 группы:

-аутотрофы,

-гетеротрофы.

Аутотрофы (литотрофы) – «ауто» - своя, сам, «трофика» – питание – «самопитающиеся». Это микробы, которые усваивают N и С из воздуха или неорганических веществ. Они имеют много ферментов, поэтому способны сами синтезировать органические вещества из неорганических, для этого они используют энергию солнечную - фотосинтетики и химическую - хемосинтетики. Это сапрофиты.

Гетеротрофы – «гетеро» – чужой (за счет другого), трофика – питание. Это микробы, которые N и С берут из органических веществ.

Делятся на 2 группы:

метатрофы или сапрофиты, которые используют мертвый белок (гниение).

паратрофы или паразиты, которые используют живой белок. Это болезнетворные микробы. Среди них есть абсолютные паразиты (облигатные), которые живут только внутри живой клетки (абсолютные биотропы) - вирусы и риккетсии.

По способности самостоятельно продуцировать факторы роста (витамины, пурины, пиримидины) микроорганизмы делят на 2 группы:

Ауксотрофные микроорганизмы - требуют наличия факторов роста в питательной среде.

Прототрофные - не требуют факторов роста извне.

Питательные вещества, чтобы быть использованными для питания, должны извне попасть внутрь клетки ми­кроба. Клеточная стенка проницаема для низкомолеку­лярных веществ и ионов, но не пропускает макромоле­кулы. Цитоплазматическая мембрана является настоя­щим пограничным слоем и осуществляет избирательное поступление веществ в клетку. Таким образом, проник­новение питательных веществ в клетку является процес­сом сложным и еще недостаточно изученным.

Сущность процесса питания. Сообщение с внешней средой у микробов происходит через всю поверхность клетки. Всасывающая поверхность по сравнению с мас­сой клетки значительно больше, поэтому биохимическая деятельность - питание - у микробов происходит очень энергично.

Проницаемость микробной клетки может быть актив­ной и пассивной. При активном поступлении (пере­носе) вещества накапливаются в клетке и концентрация их может превышать концентрацию во внешней среде в сотни раз. На активный перенос питательных веществ из внешней среды в клетку затрачивается энергия. Он осуществляется, по-видимому, при помощи особых переносчиков. Поглощение веществ клеткой специфично — это значит, что поглощаются только те вещества, для ко­торых имеются соответствующие переносчики или транс­портные механизмы. Скорость поступления веществ в клетку при активном переносе достигает максимума уже при малой концентрации этого вещества в среде. Суще­ствование таких транспортных механизмов доказано для некоторых микробов.

Пассивный перенос веществ в клетку отличается от активного тем, что не требует затрат энергии и про­исходит медленнее. Пассивный перенос может быть двух видов. Простая диффузия — это неспецифическое про­никновение веществ. Решающее значение в этом процес­се имеет величина молекул питательных веществ, а не их концентрация. Облегченная диффузия — это специ­фический процесс, протекающий с участием переносчи­ков. Скорость ее зависит от концентрации данного ве­щества в среде, т. е. здесь действуют законы осмоса и осмотическое давление веществ в среде.

Типы питания. По типу питания все живые существа на Земле делятся на два царства. Животные нуждаются в готовых органических веществах, имеют внутреннюю всасывающую поверхность. Такой тип питания называ­ют гетеротрофным. Растения сами строят органи­ческие вещества своего тела из неорганических, поль­зуясь солнечным светом как источником энергии. Расте­ния устроены иначе — их фотоактивные клетки и ткани ориентированы к наружи и образуют большие внешние поверхности. Такой тип питания называют автотроф ным.

У микробов обнаружено большое разнообразие типов питания. Для их характеристики необходимо указывать источник энергии, источник углерода и вещества, служа­щие донорами электронов.

Фототрофными называют такие микробы, кото­рые подобно зеленым растениям синтезируют органиче­ские вещества своего тела из неорганических. Источни­ком энергии для них служит солнечный свет, основным источником углерода - СОг, азота - минеральные соли. В эту группу входят водоросли и некоторые зеленые и пурпурные серобактерии.

Хемотрофными называют микробов, получаю­щих энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, в которых участвуют питательные вещества.

Литотрофные микроорганизмы способны исполь­зовать неорганические вещества как доноры электро­нов. Так как они осуществляют свою жизнедеятельность без органических соединений и единственным источни­ком углерода является ССЬ, то эти организмы следует считать автотрофными. Сюда относятся: водородные бактерии — окисляют водород с образованием воды, ни­трифицирующие - окисляют аммиак в азотную кислоту, железобактерии - окисляют закисное железо в окисное, бесцветные серобактерии - окисляют сероводород до серной кислоты.

Органотрофными называют те микроорганиз­мы, которые используют готовые органические соедине­ния. Они нормально развиваются в таких средах и пере­страивают содержащиеся в них органические соедине­ния в вещества своего тела. К этой группе принадлежит огромное число микробов: бактерии, грибы и дрожжи. В качестве источника углерода многие органотрофы мо­гут использовать разнообразные соединения: углеводы, спирты, органические кислоты, белки и др.

Другие органотрофы проявляют избирательность в от­ношении источника углерода, так называемую субстрат-специфичность. Например, единственным источником уг­лерода для целлюлозных бактерий является клетчатка. Дрожжи также избирательны в отношении углеводов.

Сапрофитами называют микробов, питающихся мертвой органической материей, представляют собой ва­риант гетеротрофного образа жизни. Некоторые органо-трофы-паразиты (или паратрофы) способны развивать­ся только в клетках других организмов, питаясь слож­ными органическими соединениями тела хозяина.

Важное значение в питании имеют источники азота, так как этот элемент необходим для синтеза белков, ну­клеиновых кислот и др. Требования к источникам азота у микробов различны. Наиболее требовательны парази­ты, которые могут развиваться только за счет белковых веществ хозяина.

По потребности в источниках азота всех сапрофитов можно условно разделить на три группы. Одни могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (пептонов и пептидов) или же полного на­бора аминокислот, из которых построены белки их клеток. К этой группе относятся молочнокислые и некото­рые гнилостные бактерии. Другие сапрофиты могут раз­виваться при наличии только одной-двух аминокислот. Остальные необходимые аминокислоты и более сложные азотистые соединения они синтезируют сами. Третьи са­профиты, как и автотрофы, довольствуются минераль­ным азотом, главным образом аммонийными солями, а в качестве источников углерода - различными кето-кислотами. Таким образом они синтезируют аминокис­лоты.

Многие грибы, актиномицеты и некоторые бактерии используют окисленные формы азота - нитраты и нит­риты, восстанавливая их до аммиака.

Наконец, имеются бактерии, усваивающие свободный азот из атмосферы, который они восстанавливают до ам­миака и из него синтезируют аминокислоты. Это - клу­беньковые бактерии в корнях бобовых растений и жи­вущие свободно в почве азотфиксирующие бактерии.

Аминокислоты, синтезированные в клетках микроор­ганизмов или взятые из пищи в готовом виде, употреб­ляются клеткой для построения белков. Биосинтез бел­ка идет в любой живой клетке в течение всей ее жизни для восстановления изношенных или поврежденных час­тей, структур, ферментов и др. Особенно энергично идет этот процесс в период роста клетки и синтезирования всех клеточных элементов.

Ключевое значение в синтезе белков принадлежит ДНК клетки, строение которой определяет структуры белков. Участвует в этом процессе также РНК- В ДНК заключена вся генетическая информация клетки — как у микробов, так и у высших организмов.

 

Дыхание

Для осуществления синтеза веществ клетки из посту­пивших в нее питательных веществ, а также для разви­тия, размножения, передвижения и других физиологиче­ских функций клетки требуется энергия. Эта потреб­ность микробной клетки в энергии обеспечивается про­цессами энергетического обмена, который заключается в расщеплении и окислении органических веществ с осво­бождением энергии.

Окисление веществ может происходить различными путями - присоединением кислорода, отнятием водоро­да или переносом электронов от одного вещества к дру­гому. В живых клетках органическое вещество чаще все­го окисляется путем отнятия водорода — дегидрирова­ния. Другое вещество - акцептор, которому передается водород или электрон, при этом восстанавливается. Эти окислительно-восстановительные реакции происходят под действием ферментов и не сразу, а через ряд промежу­точных переносчиков.

В процессе дыхания животные и растения окисляют органические вещества до углекислого газа и воды и при "этом они потребляют кислород воздуха.

У микроорганизмов способы добывать энергию раз­личны. Аэробы подобно высшим организмам получа­ют энергию также окислением органических веществ и при этом используют газообразный кислород. У других окислительные процессы, связанные с получением энер­гии, протекают без участия свободного кислорода. Такие микробы называют анаэробами.

Аэробы в процессе дыхания окисляют чаще всего уг­леводы, но могут использовать также белки, жиры, ор­ганические кислоты, спирты и др. Одни аэробы окисля­ют органические соединения полностью, при этом конеч­ными продуктами являются СО₂ и вода:

C₆Hi₂O₆ + 6О₂ ** 6СО₂ + 6Н₂О + 2,8- 10^е Дж.

В этом случае освобождается вся энергия, которая содержится в молекуле сахара. Другие аэробы, погло­щая кислород, не доводят реакцию окисления до конца и СО₂ не выделяют. При таком окислении органическо­го соединения освобождается меньше энергии, так как часть потенциальной энергии остается в получающихся продуктах неполного окисления.

Уксуснокислые бактерии, например, окисляют этило­вый спирт до уксусной кислоты и воды и при этом осво­бождается только часть энергии, содержащейся в эти­ловом спирте:

С₂Н₅ОН + 0₂ ч± СНзСООН + Н₂О + 0,48- 10^е Дж.

Особую группу микробов представляют хемотрофные организмы, отличающиеся тем, что дыхательный акт у них состоит в окислении минеральных веществ. Дыхание это также окислительное, однако оно не сопровож­дается газовым обменом.

К аэробным организмам относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли.

Большое количество микроорганизмов принадлежит к анаэробам, способным жить без кислорода. Необходи­мую для их жизнедеятельности энергию они получают также путем дыхания, но без участия свободного кисло­рода. Сущность этого дыхания состоит в различных окислительных процессах, основанных на отнятии водо­рода (дегидрирование) с использованием в качестве ак­цептора водорода вместо свободного кислорода других веществ. Такой процесс бескислородного дыхания назы­вают брожением. Субстратом для этого процесса могут служить вещества, обладающие большим запасом энергии.

Это открытие Пастера произвело переворот в учении о дыхании. Название кислорода («жизненный газ») сви­детельствовало о том, что жизнь считали неразрывно связанной с физиологическим окислением свободным кислородом. Понятие о дыхании пришлось расширить и признать, что для целей дыхания может служить лю­бая экзотермическая реакция.

Наряду со строгими облигатными анаэробами, которые в присутствии кислорода быстро погибают (на­пример, маслянокислые бактерии), имеется группа фа­культативных, или условных, анаэробов. Эти орга­низмы могут жить и при доступе воздуха и без него (мо­лочнокислые бактерии, стафилококки, стрептококки и др.).

Резкую границу между теми и другими организмами провести трудно. Даже строгие анаэробы могут расти и размножаться при ничтожных следах свободного кис­лорода. Среди факультативных анаэробов одни лучше развиваются при очень малом содержании кислорода в среде или при полном его отсутствии, другие - в аэроб­ных условиях. К таким условным анаэробам принадле­жат некоторые дрожжи.

Как аэробные, так и анаэробные организмы имеют характерные для них верхние и нижние пределы содер­жания кислорода, необходимые для их жизни.

Бейеринк считал, что строгих анаэробов вообще нет,.а разница между аэробами и анаэробами состоит в том, что для первых верхний предел концентрации очень ве­лик-, а для других ничтожно мал. Поэтому он предлагал аэробов называть аэрофилами, а анаэробов - микроаэрофилами.

При спиртовом брожении молекула сахара распада­ется на две молекулы этилового спирта и две молекулы СО₂ с выделением энергии.

Спиртовое брожение применяется широко в народ­ном хозяйстве. Дрожжи в анаэробных условиях полу­чают энергию сбраживанием углеводов, а в аэробных - окислением их до СО₂ и Н₂О, используя кислород воз­духа.

Молочнокислое брожение происходит также без уча­стия кислорода и вызывается молочнокислыми бакте­риями. Образующаяся при этом молочная кислота ис­пользуется в промышленности. В результате брожения освобождается лишь небольшая часть потенциальной энергии сахара и значительный запас энергии остается в продуктах брожения - этиловом спирте, молочной кис­лоте и др.

Рост и развитие

 

Ростом называют увеличение количества вещества, которое сопровождается чаще всего увеличением количества клеток, т. е. размножением. Размножение явля­ется важнейшей жизненной функцией организма и на­правлено на сохранение вида. Особенности размноже­ния различных групп микроорганизмов приведены выше при описании морфологии их. Однако имеются некото­рые общие закономерности роста и размножения микро­бов в среде, на которых следует остановиться.

Скорость роста в значительной степени зависит от внешней среды: наличия в ней питательных веществ, продуктов обмена, температуры, влажности и других ус­ловий.

Существует несколько способов для оценки скорости размножения. Так, время, необходимое для удвоения количества клеток, называют временем генерации. Кон­стантой скорости деления называют число клеточных де­лений за 1 ч.

Любой микроб при попадании в подходящую пита­тельную среду растет до тех пор, пока содержание какого-нибудь необходимого компонента не достигнет ми­нимума. После этого рост микроба в такой статической культуре прекращается, так как питательные вещества не добавляются, а продукты обмена не удаляются. В та­кой «закрытой системе» различают в основном четыре стадии роста. Начальную стадию называют фазой за­держки роста, или лаг-фазой, когда после попада­ния микробов в среду (или после посева) отсутствуют видимые признаки размножения. Для разных организ­мов и на разных питательных средах продолжительность лаг-фазы различна. Чем более благоприятна среда для развития культуры, тем короче лаг-фаза.

После лаг-фазы микроорганизмы начинают размно­жаться с максимальной скоростью и этот период разви­тия культуры называется логарифмической фазой.

При следующей, стационарной фазе, в течение которой скорость размножения и скорость отмирания уравновешиваются, число жизнеспособных клеток оста­ется постоянным.

Последняя фаза - фаза затухания - характери­зуется прекращением размножения и отмиранием культу­ры. В этот период все больше клеток теряет жизнеспо­собность и погибает из-за отсутствия питательных ве­ществ и наличия продуктов обмена. Продолжительность отдельных фаз роста у различных микробов колеблется в широких пределах в зависимости от их свойств и усло­вий развития.

В статической культуре условия все время меняются: концентрация микробов увеличивается, а субстрата уменьшается. Поэтому технологические процессы, свя­занные с деятельностью микробов, требуют сравнитель­но длительного времени. Идея непрерывного культиви­рования микробов, теоретически разработанная профес­сором С. В. Лебедевым в 1915 г. для спиртового и пиво­варенного производств, заключается в том, что в сосуд с дрожжами непрерывно вводят свежий питательный раствор и одновременно удаляют такое же количество сброженного. Этот метод положен в основу непрерывно­го культивирования, широко применяемого в настоящее время в технической микробиологии и при переработке растительного сырья.

Известны два типа аппаратов для непрерывного куль­тивирования микробов - хемостат и турбидостат. В аппарате типа хемостат рост микробов-ограничива­ется концентрацией одного из необходимых веществ - донора водорода, источника азота, серы или фосфора. Регулируя химический состав среды, в аппарате поддер­живается «динамическое равновесие», т. е. стабильная концентрация микроба.

Поддержание постоянной концентрации микроба в аппарате типа турбидостата основывается на регу­лировании скорости притока свежей питательной среды. Все питательные вещества содержатся здесь в избытке, и скорость роста микроба приближается к максимальной.

Способ выращивания микробов в непрерывной куль­туре исключает фазу затухания роста, концентрация ми­кроба и его активность поддерживаются на постоянном высоком уровне логарифмической фазы, что позволяет ускорить технологические стадии при переработке пище­вого и непищевого сырья (производство шампанского, пива, спирта, хлебопекарных и кормовых дрожжей и др.).

 

 

Глава 3 Влияние условий окружающей среды
на развитие микроорганизмов

3.1  Физические и физико-химические факторы

Микробы подвергаются воздействию многих факторов среды. И несмотря на это, они остаются жизнеспособными в жидком воздухе и в глубоком вакууме, в уксусе ив водах атомного реактора, в окружении живых существ и внутри них. В таких местах могли сохраниться только те организмы, у которых выработалось приспособление к сложившимся условиям. Разнообразие условий породило разнообразие свойств микроорганизмов под влиянием физических, химических, биологических и других факторов.

Температура - один из наиболее важных факторов в жизни микробов. Она может быть оптимальной, то есть наиболее благоприятной для развития, а также максимальной, когда подавляются жизненные процессы, и минимальной, ведущей к замедлению или прекращению роста. Зоны роста для разных групп микроорганизмов колеблются в довольно широком диапазоне.

Психрофилы (холодолюбивые микроорганизмы) растут при низких температурах (от +15 до -8 °С). Их можно встретить в северных морях, ледниках, холодиль­никах и в других местах. Среди них могут быть возбу­дители болезней рыб и водных растений, микроорганизмы, разлагающие пищевые продукты.

Мезофилы развиваются при средних температурах от 20 до 40 °С. Температура 25-39 °С для них оптимальная. Мезофилы - возбудители болезней животных и человека, брожений, вызывающие аммонификацию и другие процессы.

Термофилы (теплолюбивые) требуют для своего развития более высокую температуру - от 40 до 80 °С. Такие микроорганизмы встречаются в горячих источниках, в пищеварительном тракте животных, в почвах районов с жарким климатом. В горячих источниках Камчатки обнаружены шаровидные, палочковидные и нитчатые формы термофильных микробов. Термофильные микробы участвуют в таких процессах, как биологическое обеззараживание навоза, приготовление бурого сена, силосование кормов и т. д. При оптимальной влажности термофилы повышают температуру органических веществ, разлагают их, в результате чего накапливаются горючие газы - метан, водород, которые могут вызывать самовоспламенение растительной массы. Резкие колебания температуры ведут к гибели микробов.

Действие на микробы высоких температур. К высокой температуре особенно чувствительны вегетативные формы. С повышением температуры время жизни микробов сокращается. Так, тифозные бактерии при 47 °С погибают через 2 ч, а при 59°С - через 21 с. Подобная картина, но при более высокой температуре наблюдается и у спор. Если при 100 °С споры погибают через 20 ч, то при 130° - через 2-4 мин (В. И. Вашков, 1956).

На микробы более эффективно действует насыщенный водяной пар, чем сухой жар. Гибель спор возбудителя сибирской язвы наступает через 1 мин от пара при 132 °С, а от сухого жара - при 180°. На качество стери­лизации влияет также число клеток в 1 мл суспензии. Чем их больше, тем выше должна быть температура или более продолжительной экспозиция. На устойчивость микробов к температуре оказывают влияние среда обитания, условия, при которых образовались споры. Белки, жиры предохраняют микробы от действия тепла, а бактерицидные вещества, наоборот, усиливают его действие. Быстрее наступает гибель микробов в кислой среде и гораздо медленнее в нейтральной.

Микробы могут сохранять жизнеспособность и при температуре от 85 до 90°С. Такие кальдоактизные бактерии обнаружены в горячих источниках Долины гейзеров Иеллоустонского парка (США) и в других местах.

Действие на микробы низких температур. Низкие температуры обычно не вызывают гибели микробов, а лишь задерживают их рост и размножение. Жизнеспособность многих микробов сохраняется при температуре, близкой к абсолютному нулю. Споры прорастают после 10-часового пребывания их в жидком водороде (-252 °С), в течение 2 ч при этой же температуре сохраняют жизнеспособность бактерии брюшного тифа. В жидком воздухе (-172-190 °С) в течение 20 ч сохраняется кишечная палочка. Палочки туберкулеза оставались жизнеспособными при температуре -180 °С в течение восьми дней. Бруцеллы при -40 °С сохранялись более шести месяцев.

Еще более устойчивы к низким температурам вирусы. Вирус бешенства при температуре жидкого воздуха (-190 °С) и жидкого водорода (-292 °С) оставался активным в течение нескольких месяцев (В. Д. Савельев и др.). В вечной мерзлоте под Воркутой на глубине 57 м содержались бациллы и их споры, причем последние в более глубоких слоях (А. В. Каляев, 1947). Споры и гнилостные микробы сохраняли жизнеспособность в трупах мамонтов, пролежавших тысячи лет в мерзлой почве Сибири (В. Л. Омелянский, 1911). Последнее подтверждается исследованиями, проведенными и в наши Дни (1982). При исследовании ледяных кернов, извлеченных из ледовой толщи Антарктиды, установлено, что актиномицеты встречаются на глубине до 85 м, дрожжи - до 100, плесневые грибы и бациллы - до 320 м. Это указывает на то, что микроорганизмы могут сохра­няться в анабиотическом состоянии не мене

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: