Использование полезных микроорганизмов - раздел Биология, Содержание Роль Микроорганизмов В Природе И Сельском Хозяйстве Классификация...
Многие микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве.Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве.
От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.
Микроорганизмы оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их. Наряду с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и человека.В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества. Последние научные данные не только существенно расширили представления о почвенных микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве.
Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов.
Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.Открытие новых методов получения наследственно измененных форм полезных микроорганизмов позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии.
Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты.С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, тысячелетия даже не догадываясь об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические.
Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.Однако до середины прошлого века даже никто не представлял, что разного рода бродильные процессы и заболевания могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.
Таким образом, по способу получения энергии и углерода микроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы.
Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ.Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы.
Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания. Каждой группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.При фототрофии источник энергии - солнечный свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С02 и неорганических соединений (Н20, Н2S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез.
К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий. Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С02 до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды: С02 + Н20 свет-› (СH2 O) * + O2 Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.Для восстановления С02 в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н25. При этом в цитоплазме накапливаются гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты: С02 + 2Н2S свет-› (СH2 O) + Н2 + 2S 3CO2 + 2S + 5H2O свет-› 3 (СН20) + 2Н2S04 Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными анаэробами.
Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды.
Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^"2. Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды.
Они не способны окислять сероводород (Н2S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду. При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения.Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н2, NH4+, N02 Fе2+, Н2S, S°, S0з2 S20з2 СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.
Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. Виноградским.Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д. Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции: NH3 + 11/2 02 - HN02 + Н20 + 2,8 105 Дж HN02 + 1/2 02 - HN03 + 0,7 105 Дж Н2S + 1/2 02 - S + Н20 + 1,7 105Дж S + 11/2 02 - Н2S04 + 5,0 105 Дж Н2 + 1/2 02 - Н20 + 2,3 105 Дж 2FеС03 + 1/2 02 + ЗН20 - 2Fе (ОН) 3 + 2С02 + 1,7 105 Дж Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений.
Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.
Первый тип питания характерен для высших растений, водорослей и ряда бактерий, второй - для животных, грибов и многих микроорганизмов. Остальные типы питания встречаются лишь у отдельных групп бактерий, живущих в особых, специфичных условиях среды.Установлена способность многих микроорганизмов переходить с одного типа питания на другой.
Например, водородокисляющие бактерии при наличии 02, на средах с углеводами или органическими кислотами способны переключаться с хемолитоавтотрофии на хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативными хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, не способные расти в отсутствие специфичных неорганических доноров электронов (например, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называют облигатными хемолитоавтотрофами. У микроорганизмов отмечена и так называемая миксотрофия.Это тип питания, при котором микроорганизм - миксотроф - одновременно использует различные возможности питания, например, сразу окисляя органические и минеральные соединения, или источником углерода для него одновременно могут служить диоксид углерода и органическое вещество и т.д. В природе широко распространены микроорганизмы, источниками энергии и углерода для которых служат одноуглеродные соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данные микроорганизмы называют С1 использующими формами, или метилотрофами, а тип их питания - метилотрофией. В группе метилотрофных бактерий выделяют облигатные и факультативные виды. Первые способны расти в результате использования только одноуглеродных соединений, вторые - и на средах с другими веществами.
Среди метилотрофов есть микроорганизмы разных систематических групп. 48. Участие микроорганизмов в круговороте серы. Процеесы минерализации органических соединений серы, сульфофикация, десульфофикация, характеристика возбудителей, условия, определяющие их развитие. Значение превращений серы в природе и для сельского хозяйства.
Сера - необходимый питательный элемент для организмов.
В почве она встречается в форме сульфатов - СаS04 2Н20, Nа2S04, К2S04 (NH4) 2S04, сульфидов - FеS2, Na2S, ZnS и органических соединений.Сера содержится в аминокислотах белков растений, животных и микроорганизмов, валовые ее запасы в почвах сравнительно невелики, и растения часто испытывают недостаток в ней. Органические и неорганические формы серы под влиянием деятельности микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям.
Направление трансформаций соединений серы регулируется в основном факторами внешней среды. Органические соединения серы могут быть разрушены и минерализованы.В определенных условиях восстановленные неорганические соединения серы подвергаются окислению микроорганизмами, а окисленные (сульфаты, сульфиты и др.), наоборот, могут быть восстановлены в Н2S. Среди активных окислителей восстановленных неорганических соединений серы можно выделить четыре группы микроорганизмов: тионовые бактерии, представленные родами Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus; одноклеточные и многоклеточные (нитчатые) формы, образующие трихомы и относящиеся к родам Achromatium, Thiobacterium, Thiospira, Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca и др.; фотосинтезирующие пурпурные и зеленые серные бактерии, а также некоторые цианобактерии; хемоорганогетеротрофные организмы родов Bacillus, Pseudomonas актиномицеты и грибы (Penicillium, Aspergillus). Микроорганизмы первой группы обитают в почве.
Нитчатые формы встречаются главным образом в грязевых водоемах, возможно, их развитие в затопленных почвах, содержащих восстановленные формы серных соединений.
Фотосинтезирующие бактерии обитают в водной среде (пруды, морские лагуны, озера и т.д.). Наиболее широко распространены тионовые бактерии рода Thiobacillus, впервые выделенные из морского ила в 1902 г. Натансоном, а в 1904 г М. Бейеринком.
Представители данного рода способны окислять тиосульфат, сероводород, сульфиды, тетратионаты и тиоцианаты.Наиболее интересны виды: Т. thiooxidans, Т. thioparus, Т. novellus,T. denitrificans, Т. ferrooxidans и др. Бактерии рода Thiobacillus представляют собой неспорообразующие грамотрицательные палочки длиной от 1 до 4 мкм, диаметром около 0,5 мкм. Большинство видов рода подвижны и передвигаются посредством полярного жгутика. Источником углерода для синтеза углеводов и других органических соединений бактерии служат С02 и бикарбонаты.
За исключением Т. novellus и некоторых других видов, относящихся к факультативным хемолитоавтотрофам и хемолитогетеротрофам представители рода Thiobacillus облигатные хемолитоавтотрофы, т.е. живут за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений серы. Ход окислительных процессов, вызываемых серными бактериями, может быть представлен следующими уравнениями: 2S + 3O2 +2H2O→ 2H2SO4 5NA2S2O3 + 4O2+H2O→5NA2SO4+H2SO4+4S 2NA2S2O3+ 1/2O2+ H2O→NA2S4O6+2NAOH Тетратионаты могут подвергаться дальнейшему окислению до серной кислоты: NA2S4O6+SO2+6H+→NA2SO4+3H2SO4 Гипотетическая цепь реакций окисления элементарной серы бактериями рода Thiobacillus может быть представлена в следующем виде: ТИОСУЛЬФАТ ТЕТРАТИОНАТ S0→S2O3²→S4 O6² ↓ SO4²←SO3²&am p;#8592;S3O6² СУЛЬФАТ СУЛЬФИТ ТРИТИОНАТ По современным представлениям, сера из среды поступает в клеточную вакуоль тиобактерии, наполненную валютином, путем диффузии и накапливается в виде запасного вещества.
Последнее позволяет предположить, что на клеточной поверхности бактерий действуют ферменты, способствующие поступлению серы внутрь клетки, и под их влиянием сера восстанавливается до сульфидного иона, окисление которого происходит в дольнейщем внутриклеточное.
Sulfolobus sp. И Thiobacillus ferrooxidans кроме окисления серы обладают также способностью окислять двухвалентное железо FE2+. Тионовые бактерии - облигатные аэробы, за исключением Т. Denitrificans, который в присутствии нитрата развивается как анаэроб. В последнее время обнаружены сероокисляющие бактерии, способные к жизнедеятельности при pH 2…3 и температуре 70…75С и сохраняющие жизнеспособность при 90С. Это термоацидофильные архебактерии, факультативные хемолитоавтотрофы рода Sulfolobus.
Распространены они в термальных серных источниках. Одноклеточные бесцветные серобактерии представлены родами Ahromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospira и др. эти организмы имеют сферическую, овальную, палочковидную или извитую форму, есть подвижные и неподвижные, грамотрицательные.К многоклеточным бесцветным (нитчатым) серным бактериям относят микроорганизмы родов Beggiatoa, Thiop1оса, Thiothrix и др. Они окисляют сероводород до элементарной серы, которая временно откладывается внутри клеток.
Установлена способность бактерий указанных родов окислять серу и использовать органические вещества. Способность автотрофного усвоения СО 2 для снабжения клеток углеродом пока не доказана.Процессы окисления сульфида и серы можно представить по следующим уравнениям: Н2S +1/202 - S + Н20 S+ 11/202 + Н20 - Н2S04 Окисляют соединения серы также фотолитоавтотрофные пурпурные и зеленые серные бактерии.
Они обычно обитают в среде, где имеется Н2S. Большой роли в почвах не играют. Серу могут окислять многие хемоорганогетеротрофные микроорганизмы. Например, некоторые виды родов Bacillus, Pseudomonas, актиномицетов и грибов окисляют порошковидную серу. Хемоорганогетеротрофные организмы окисляют серу в присутствии органических веществ.Процесс ее окисления экзотермический, но хемоорганогетеротрофные микроорганизмы не используют выделяющуюся энергию.
Такое превращение представляется для них побочным процессом в главном направлении метаболизма. Окисление серы хемоорганогетеротрофными микроорганизмами идет довольно медленно и слабо. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы, применяют при разработке месторождений полезных ископаемых.Так, проведены исследования, которые позволили начать применение окисляющих серу бактерий из рода Thiobacillus (Т. ferrooxidans) для выщелачивания бедных сульфидных руд. Наиболее практически освоены методы микробиологического выщелачивания меди из минералов, в которых медь соединена с серой.
Обработке подвергают отвалы бедных руд на поверхности или под землей. Аналогично бактерии рода Thiobacillus можно использовать для получения различных металлов и редких элементов из минералов, содержащих серу. Использование микробов в качестве "металлургов" экономически выгодно.Стоимость меди, полученной микробиологическим выщелачиванием, обходится в два с половиной раза дешевле, чем гидрометаллургическим способом.
Микробиологический способ разработки полезных ископаемых применяют во многих странах мира. Восстановление неорганических соединений серы осуществляется при разнообразных обменных процессах. Сульфаты могут быть источником серы, как для микро так и для макроорганизмов. Усвоение данных соединений сопровождается восстановлением серы в биосинтетических процессах так называемой ассимиляционной сульфатредукции. Указанный процесс характерен для всех живых организмов.Если растворимые сульфаты закрепляются в клетках микроорганизмов, процесс обозначают как иммобилизацию серы. В плохо аэрированных, затопляемых почвах, с дефицитом кислорода, а также в водах лиманов, некоторых морей и других водоемов в зоне анаэробиоза происходит микробиологическое восстановление сульфатов.
Такой процесс называют диссимиляционной сульфатредукцией, или сульфатным дыханием.Бактерии, вызывающие восстановление сульфатов, подразделяют на неспорообразующие - род Desulfovibrio и спорообразующие - род Desulfotomaculum.
К роду Desulfovibrio относят неспороносные грамотрицательные изогнутые палочки, иногда S-образные или спиральные, имеющие полярные жгутики и отличающиеся большой подвижностью. Это облигатные анаэробы, мезофилы (оптимальная температура 30˚С). Обнаружены в морской воде или иле, пресной воде и почве. Типичный вид - Desulfovibrio desulfuricans. Известны также D. vulgaris и D. gigas.Среди представителей рода встречаются галофилы. Бактерии рода Desulfotomaculum представлены грамотрицательными, прямыми или изогнутыми спорообразующими подвижными палочками с перитрихальным расположением жгутиков.
Это облигатные анаэробы, восстанавливающие сульфаты до сульфидов. Они обнаружены в пресных водах, почвах, геотермальных областях, некоторых испорченных продуктах, в кишечнике насекомых и рубце животных.Desulfotomaculum nigrificans может превращать сульфаты в сульфиды при высоких температурах (оптимально 55 °С). К роду Desulfotomaculum относят также D. orientis, представленный изогнутыми палочками, D.ruminis и D. acetooxidans, имеющие прямые палочки.
Обнаружен ряд новых сульфатредуцирующих бактерий в частности, рода Desulfobacter с неспорообразующими палочками, родов Desulfoсоссиs Desulfosarcina, представленных кокковыми формами, рода Desulfoпета имеющих нитевидную форму и передвигающихся скольжением.Сульфатредуцирующие бактерии - специализированная группа микроорганизмов, использующих сульфат как акцептор электронов (водорода) в анаэробных условиях для окисления органических соединений или водорода.
Вопреки ранее распространенным представлениям Сульфатредуцирующие бактерии неспособны к автотрофному связыванию СО2 и нуждаются в готовых органических веществах, т.е. относятся к хемоорганогетеротрофам. Донором электронов (водорода) служат углеводы, органические кислоты, спирты, а также молекулярный водород.Водород окисляемых органических субстратов переносится на окисленные соединения серы (сульфаты, сульфиты, тиосульфаты), которые восстанавливаются до Н2S. Анаэробное окисление органических веществ сульфатредуцирующими бактериями (Desulfotomaculum nigrificans, D. оrientis, D.ruminis, D. аcetooxidans, desulfuricans и др.) неполное ведет к аккумуляции уксусной кислоты и ее солей как конечного продукта: 2CH3CHOHCOONa + MgSO4 → H2S + 2CH3COONa + CO2 + MgCO3 + H2O ЛАКТАТ НАТРИЯ АЦЕТАТ НАТРИЯ Восстановлению могут подвергаться и другие соединения серы, например тиосульфаты и молекулярная сера. Восстановление SO3² - до Sx˚ осуществляют облигатно-анаэробные бактерии. Clostridium thermosulfurogenes, выделенные из термального источника.
Это хемоорганогетеротрофы, термофилы, они могут вызывать брожение с образованием этанола, молочной и уксусной кислот, Н2, осуществляют гидролиз пектина икрахмала.
Восстановление тиосульфата.CL. Thermosulforogenes выполняют с образованием молекулярной среды, которая откладывается на их клеточных стенках и выделяется в среду. Молекулярную серу могут восстанавливать до H2S многие термоацедофильные облигатно-анаэробные архебактерии - Desulfuroccucus mucosus, pyrococcus furiosus, Thermoproteus tenax и др. перечисленные виды обитают в кислых гидротермальных источниках.
Так, для pyrococcus furiosus оптимальная реакция среды составляет ph 1, температурный оптиум - 100 ˚С. В анаэробных условиях серу могут восстанавливать архебактерии рода Sulfolobus, которые, как указывалось выше, в аэробных условиях серу окисляют. Значительное количество сероводорода образуется при минерализации белковых соединений.
Возбудителями данного процесса служат бактерии родов Psedomonos, Baccilus, Proteus, Clostridium и др. Считают, что биогенная сера, которая поступает в атмосферу в виде органических летучих соединений, представляет главным образом продукт жизнедеятельности бактерий, минерализующие белковые вещества.Сульфатредуцирующие бактерии наносят определенный ущерб, разрушая материалы, неустойчивые к сероводороду.
Например, указанные организмы разлагают нефтяные продукты, загрязняют сероводородом промышленный газ и т.д. Деятельность сульфатредуцирующих бактерий - одна из причин коррозии металлического оборудования в анаэробной зоне. Считают, что ущерб от коррозии трубопроводов под землей наполовину может быть отнесен на счет этих микроорганизмов.Сероводород токсичен, поэтому при накоплении его в почве растительность быстро погибает. Если сероводород образуется в водоеме, то растения и животные в нем тоже гибнут.
В некоторых озерах, лиманах и даже в открытом море на определенной глубине (в черном море на глубине 200 м) сероводород накапливается в таком количестве, что полностью подавляет развитие живых существ. В то же время бактерии, восстанавливающие сульфаты, игра большую роль в геологических процессах. Они образуют НзS, участвующий в образовании серных руд. При окислении сероводород серными бактериями появляются залежи серы промышленного значения.Сульфатредуцирующие бактерии участвуют и в образовании сульфидных руд. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СУММАРНОЙ БИОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОЙ МИКРОФЛОРЫ При анализе почв устанавливают не только состав их микронаселения, но и суммарную биохимическую активность почв. Одним из показателей такой активности служит нитрификационная способность почвы, характеризующая мобилизуемость азотного запаса почвы в результате деятельности микроорганизмов.
Нитрификационную способность устанавливают по нарастанию в почве количества нитратов после выдерживания при определенных условиях в термостате.
По результатам такого анализа можно судить о потенциальной способности почвы накапливать то или иное количество минерального азота. Если в начале опыта в почву внести соль аммония, то по накоплению нитратов можно получить дополнительное представление об энергии работы нитрифицирующих бактерий.При изучении почвенной биодинамики определяют выделение почвой СО2 - Данная проба показывает в основном интенсивность разложения в почве органических соединений.
Можно установить быстроту распада в почве любого химического вещества учетом продуктов распада или убыли внесенного в почву соединения. Для этого в почву помещают полосы бумаги или лучше льняной ткани, закрепленной на стекле метод "аппликаций". Периодически материал извлекают из почвы, просматривают и фиксируют на нем зоны распада Метод аппликаций весьма показателен при решении некоторых агрономических задач.Например, он помогает выявить интенсивность процессов в разных горизонтах пахотного слоя, установить действие различных удобрений, мелиорирующих средств и т.д. Для оценки активности почвы исследуют также ферменты, находящиеся в почве.
В основном их продуцируют микроорганизмы. Поэтому между показателями активности ферментов почвы и определенными микробиологическими процессами намечается коррелятивная зависимость.Подобная связь отмечена, например, между активностью инверта-зы и интенсивностью дыхания почвы, активностью оксидазы и динамикой нитратов.
Абсолютное значение отдельных показателей активности ферментов, по данным ученых, неодинаково у почв разных климатических зон, что может быть использовано в диагностических целях. При отмирании микроорганизмов окружающая среда еще более обогащается ферментами, которые в значительной части адсорбируются почвенными коллоидами, что способствует стабилизации последних.Отмечено, что ферментные процессы в почве прекращаются при значительно более низкой влажности, чем деятельность микроорганизмов.
Следовательно, биохимические процессы могут протекать даже в относительно сухих почвах. Определение активности ферментов почвы, как показано А.Ш. Галстяном, может дать представление об их плодородии. В зависимости от теоретических или практических задач почвенные микробиологи пользуются различными комплексами методов анализа почвы.Распад льняной ткани под действием микроорганизмов в черноземе: а, б, в - в течение одного, двух, трех месяцев соответственно ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОБОВ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ Систематика, или таксономия распределение, классификация организмов по группам - таксонам в соответствии с определенными признаками, а также установление родственных связей между ними. Изучение основных групп микроорганизмов полезно предварить знакомством с принципами их номенклатуры.
Номенклатура - это система наименований, применяемых в определенной области знаний.Любая система номенклатуры и таксономии требует совершенного знания объектов. Чтобы получить информацию, необходимую для наименования и классификации микроорганизмов, изучают все многообразие и все особенности внешней и внутренней структуры микроба, его физиологические и биохимические свойства, а также процессы, вызываемые микроорганизмом в естественной среде его обитания.
С основными характеристиками микроба знакомятся в следующем порядке: определяют, каков внешний вид микроорганизма - его форма, подвижность (наличие жгутиков и их расположение), наличие капсул и способность к образованию эндоспор, способность окрашиваться по Граму; выясняют особенности обмена веществ, способы получения энергии; наконец, определяют, каким образом он изменяет внешнюю среду, в которой растет, и как окружающая среда влияет на его жизнедеятельность.
В последнее время в связи с развитием биологии выявлены новые подходы к характеристике микроорганизмов, что оказало положительное воздействие на их систематику. В частности, определенную ценность имеют методы геносистематики, позволяющие непосредственно охарактеризовать наследственные свойства (генотип) микроорганизмов и таким образом дополнить их описание, которое до последнего времени отражало исключительно структурные и функциональные свойства (фенотип). Данные о генотипе микроорганизма получают при помощи двух основных методов анализа выделенных нуклеиновых кислот: определения нуклеотидного состава ДНК и изучения химической гибридизации нуклеиновых кислот, изолированных из разных микроорганизмов.
По соотношениям пар пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК выявляют генетические различия между группами микроорганизмов.
Второй метод помогает установить гомологию ДНК при гибридизации пары исследуемых молекул, выделенных из разных микроорганизмов.Если наблюдается высокая степень связывания молекул ДНК (80 90% и более), то можно говорить о гомологии первичной структуры и близком генетическом родстве микроорганизмов (филогенетические связи). Низкая степень гомологии (50%) характеризует достаточно отдаленные генетические связи между микроорганизмами.
В систематике микроорганизмов иногда используют нумерическую таксономию, предложенную современником Карла Линнея М. Адансоном. В основу адансоновской, или нумерической, таксономии положены следующие принципы: равномерность изучаемых признаков организмов; доведение их количества до максимальной величины; выделение каждой таксономической группы по числу совпадающих признаков.Указанный подход к систематике микроорганизмов достаточно объективен, однако для его реализации необходимы обширные математические расчеты с использованием электронно-вычислительных машин.
После подробного изучения микроорганизму дают научное название, которое должно быть выражено двумя латинскими словами, как этого требует биноминальная номенклатура, предложенная еще в XVIII в.К. Линнеем.Первое слово - название рода, обычно оно латинского происхождения, пишется с прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак микроорганизма, либо фамилию ученого, открывшего микроорганизм, либо особый отличительный признак, например место обитания.
Второе слово пишется со строчной буквы, оно обозначает видовое название микроорганизма и, как правило, представляет собой производное от существительного, дающего описание цвета колонии, источника происхождения микроорганизма, вызываемого этим микроорганизмом процесса или болезни и некоторых других отличительных признаков.Например, название Bacillus albus указывает, что микроорганизм грамположителен, представляет собой спорообразующую аэробную палочку (свойства рода Bacillus), а видовое название характеризует цвет колонии (albus - белый). Названия микроорганизмам присваиваются в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий, введенного с 1 января 1980 г они едины во всех странах мира. В классификации для группирования родственных микроорганизмов используют следующие таксономические категории: вид (species), род (genus), семейство (familia), порядок (ordo), класс (classis), отдел (divisio), царство (regnum). Вид - основная таксономическая единица, представляет собой совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо выраженным фенотипическим сходством.
Вид подразделяют на подвиды или варианты.
В микробиологии часто пользуются терминами " штамм" или "клон". Штамм - более узкое понятие, чем вид. Обычно штаммами называют культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных природных сред (почв, водоемов, организмов и т.д.) или из одной и той же среды, но в разное время.
Штаммы одного вида могут быть близки по своим свойствам или различаться по отдельным признакам. В то же время характерные свойства разных штаммов не выходят за пределы вида. Клон - это культура, полученная из одной клетки. Совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящую из особей одного вида, называют чистой культурой.Согласно современным представлениям, живой мир нашей планеты подразделяют на четыре царства: растения (Р1аntае), животные (Animalia), грибы (Мусота) и прокариоты (Procaryotae). Однако в последнее время пересмотрены классификации высших таксонов живого мира в связи с тем, что среди прокариот обнаружена группа бактерий, отличающаяся особой макромолекулярной организацией клеток и уникальными биохимическими особенностями.
Бактерии этой группы назвали архебактериями (предположительно одна из самых древних групп живых организмов на Земле) и отнесли к новому царству архебактерий.
Выделение нового царства архебактерий обусловило необходимость разделять прокариоты и эукариоты на уровне надцарств. В связи с этим система высших таксонов живого мира выглядит следующим образом: Надцарства Царства. Прокариоты Архебактерии, цианобактерии, зубактерии Эукариоты Растения, животные, грибы. В биологии выделяют две систематики живых организмов - филогенетическую, или естественную, и искусственную.Микробиология еще не располагает достаточными данными об эволюции и филогении микроорганизмов, позволяющим построить естественную систематику, подобную той, что создана для высших растений и животных.
Современные системы классификации микроорганизмов, по существу, искусственные. Они играют роль диагностических ключей, или определителей, которыми пользуются главным образом при идентификации того или иного микроорганизма.Известны "определитель родов бактерий" В. Б.Д. Скерман (1975) и "определитель бактерий и актиномицетов" Н.А. Красильникова.
Необходимость создания естественной систематики микроорганизмов побуждает ученых искать подход к установлению эволюционных и родственных связей. Одно из важных направлений такой работы основано на исследовании состава и первичной структуры рибосомальных частиц 16s и 5SpРНК, а также транспортной РНК, в соответствии с которыми царство Procaryotae подразделяют на две группы: Eubacteria и Archeobacteria.Группа Eubacteria подразделяется на три отдела: Gracilicutes, Firmicutes, Mollicutes.
В настоящем учебнике приведено описание наиболее важных групп микроорганизмов в соответствии с последним, девятым изданием (1984)"определителя бактерий" Д.Х. Берги. В этом определителе все прокариотные микроорганизмы объединены в царство Procariotae, которое подразделено на четыре отдела - Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes.В свою очередь, отделы делят на классы, порядки, семейства, роды, виды. Микроорганизмы разделены на четыре отдела главным образом на основании наличия или отсутствия клеточных стенок и их вида, а на классы, порядки, семейства, роды, виды - по совокупности морфологических и физиолого-биохимических признаков.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Введение
Достижения генетики и генной инженерии являются основой для развития биотехнологии - науки, возникшей на стыке биологии и технологии. Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Современная биотехнология использует биологические методы в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.
Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился.
Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических производств является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии.
В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить промышленным целям.
1. Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии
В настоящее время микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья. Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов. Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, - классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.
Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.
Промышленное использование микроорганизмов для получения новых пищевых продуктов способствовало созданию таких видов промышленности как хлебопекарская и молочная, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов, органических кислот и пр.
Роль микроорганизмов для биотехнологии.
1. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее, это присуще не всем микроорганизмам. Некоторые из них растут крайне медленно, однако представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества.
2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т.е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирующие микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако прогресса в их использовании вследствие ограниченности фундаментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, не следует ожидать в ближайшем будущем.
3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехнологии, как термофильные микроорганизмы, растущие при 60-80°С.
Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т.е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факторам. В то же время они мало активны при обычных температурах. Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 20°С в 100 раз менее активны, чем при 75°С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Например, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Tag-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus.
2. Микроорганизмы в фармации
Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.
В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен. Микробиологические реакции используются при изучении метаболизма лекарственных веществ, механизма их действия, а также для выяснения природы и действия ферментов. Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлозу, способствующий разложению клетчатки. Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.
3. Микроорганизмы в пищевой промышленности
Ферментные препараты Aspergillus oryzae используются в пивоваренной промышленности, а ферменты A.niger используются при производстве и осветлении плодовоягодных соков и лимонной кислоты. Выпечка хлебобулочных изделий улучшается при использовании ферментов A.oryzae и A.awamori. Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий.
Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности. В молочной промышленности очень широко используются молочные дрожжи. С их помощью приготавливают кумыс, кефир. Ферментами этих микроорганизмов молочный сахар разлагается до спирта и углекислоты, в результате этого улучшается вкус продукта и повышается его усвояемость организмом. При получении молочнокислых продуктов в молочной промышленности широко используются дрожжи, не сбраживающие молочный сахар и не разлагающие белки и жир. Они способствуют сохранению масла и увеличению жизнеспособности молочнокислых бактерий. Пленчатые дрожжи (микодерма) способствуют созреванию молочнокислых сыров. Грибы Penicillum roqueforti используют при производстве сыра рокфор, а грибы Penicillum camemberi - в процессе созревания закусочного сыра.
Многие микроорганизмы, в том числе дрожжеподобные и некоторые виды микроскопических грибов, издавна использовались при превращении различных субстратов для получения различных видов пищевых продуктов. Например, использование дрожжей для получения из муки пористого хлеба, использование грибов родов Rhisopus, Aspergillus для ферментации риса и сои, получение молочно - кислых продуктов с помощью молочно - кислых бактерий, дрожжей и др.
Использование в пищевой промышленности истинных молочнокислых бактерий (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или их комбинаций с дрожжами позволяет получать не только молочнокислые, но и спипртомолочнокислые и кислоовощные продукты. К ним относятся простокваша, мацони, ряженка, сметана, творог, квашенная капуста, квашенные огурцы и помидоры, сыры, кефир, кислое хлебное тесто, хлебный квас, кумыс и другие продукты. Для приготовления простокваши и творога применяют Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum. При приготовлении масла используют ароматизирующие бактерии и молочнокислые стрептококки Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.
4. Микроорганизмы в сельском хозяйстве
В сельском хозяйстве используются удобрения и пестициды. Попадая в естественные природные условия, эти веществ оказывают негативное влияние на естественные взаимоотношения в биоценозах, а в конечном итоге по кормовой цепочке эти вещества оказывают негативное влияние на здоровье людей. Положительную роль в разрушении этих веществ в воде играют аэробные и анаэробные микроорганизмы.
В сельском хозяйстве применяется биологическая защита растений от вредителей. С этой целью используются различные организмы - бактерии, грибы, вирусы, простейшие, птицы, млекопитающие и другие организмы.
5. Другие свойства микроорганизмов в биотехнологии
Микроорганизмы могут быть использованы и при добыче угля из руд. Литотрофные бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляют сернокислое закисное железо до сернокислого окисного железа. Сернокислое окисное железо в свою очередь окисляет четырехвалентный уран, в результате чего уран в виде сульфатных комплексов выпадает в раствор. Из раствора уран извлекается методами гидрометаллургии. Кроме урана из растворов могут выщелачиваться и другие металлы, в том числе и золото. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металлов из бедных забалансованных руд.
Очень выгодным и энергетически экономичным путем превращения органического вещества в топливо является метаногенез с участием многокомпонентной микробной системой. Метанобразующие бактерии совместно с ацетоногенной микрофлорой осуществляют превращение органических веществ в смесь мета и углекислоты.
Микроорганизмы можно использовать не только для получения газообразного топлива, но и для повышения добычи нефти. Микроорганизмы могут образовывать поверхностно - активны вещества, снижающие поверхностно натяжение на границе между нефтью и вытесняющей ее водой. Вытесняющие свойства воды усиливаются с увеличением вязкости, что достигается применением бактериальной слизи, состоящей из полисахаридов. При существующих методах разработки нефтяных месторождений извлекается не более половины геологических запасов нефти. С помощью микроорганизмов можно обеспечить вымывание нефти из пластов и освобождение ее из битуминозных сланцев. Окисляющие метан бактерии, помещенные в нефтяной слой, разлагают нефть и способствуют образованию газов (метана, водорода, азота) и углекислоты. По мере накопления газов увеличивается их давление на нефть и, кроме того, нефть становится менее вязкой. В результате нефть из скважины начинает бить фонтаном.
Необходимо помнить о том, что применение микроорганизмов в каких бы то ни было условиях, в том числе и в геологических, требует создания благоприятных условий для сложной микробной системы.
Внесение избыточных антропогенных веществ ведет к нарушению установившегося естественного равновесия. На начальных этапах развития индустрии было достаточно рассеять загрязняющие вещества в водотоках, из которых они удалялись путем естественного самоочищения. Газообразные вещества рассеивали в воздухе через высокие трубы. В настоящее время уничтожение отходов выросло в очень серьезную проблему.
В очистительных системах при очистке вод от органических веществ используется биологический метод с применением системы смешанной микрофлоры (аэробные бактерии, водоросли, простейшие, бактериофаги, грибы), активного ила, биопленки, окисляющих поступающих веществ. Представители микробной смеси способствуют интенсификации естественных процессов очистки воды. Но при этом следует помнить, что условием устойчивой работы микробного сообщества служит постоянство состава окружающей среды.
Одной из задач биотехнологии является разработка технологии получения с помощью микроорганизмов белка из различных видов растительных субстратов, из метана и очищенного водорода, из смеси водорода и окиси углерода, из тяжелых углеводородов нефти с помощью метилотрофных дрожжей или бактерий, Candida tropicalis, метаноокисляющих и целлюлозоразрушающих бактерий и других микробов.
Использование активных штаммов видов микроскопических грибов способствует обогащению белками и аминокислотами таких кормов как комбикорм, жом, отруби. Для этой цели используют селекционированные нетоксичные быстро растущие виды термо- и мезофильных микромицетов Fusarium sp., Thirlavia sp., а также некоторые виды высших грибов.
6. Селекция биотехнологических объектов
микробиологический метаногенез органический
Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, т.е. при подборе объектов в биотехнологии, является их селекция. Главным путем селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селектируемых организмов. В развитии микробных технологий сыграли важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы, и так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода, заключающуюся в низкой частоте возникновения мутантов, его возможности рано считать полностью исчерпанными.
Селекционированные штаммы природного гиперсинтетика каротина гриба Blakeslee trispora используют при промышленном получении каротина, имеющего важное значение в процессах роста и развития животных, повышения их устойчивости к заболеваниям. Селекционированные штаммы Trichoderma viride используют при промышленном получении на их основе препарата триходермина для борьбы с фитопатогенными грибами, особенно при выращивании растений в условиях закрытого грунта (фузариоза огурцов, болезней цветочных растений). Фосфобактерин, полученный из Baccilus megathrtium, является эффективным средством повышения урожайности кормовой свеклы, капусты, картофеля, кукурузы. Под влиянием этого препарата повышается содержание растворимого фосфора в ризосферной почве, а также фосфора и азота в зеленой массе.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток, тканей и их частей. История возникновения и этапы становления биотехнологии. Основные направления, задачи и методы: клонирование, генная и клеточная инженерия.
презентация , добавлен 22.10.2016
Основные задачи, разделы и направления современной биотехнологии. Производство необходимых человеку продуктов и биологически активных соединений с помощью живых организмов. Изучение генетической, клеточной и биологической инженерии. Объекты биотехнологии.
презентация , добавлен 06.03.2014
Особенности использования углеводородокисляющих микроорганизмов для решения экологических проблем. Современные методы борьбы с нефтяными загрязнениями воды и почвы. Трансформации, осуществляемые спорами грибов и актиномицетов. Соокисление и кометаболизм.
курсовая работа , добавлен 02.01.2012
Микроорганизмы как мельчайшие организмы, различаемые только под микроскопом. Способы рекомбинирования генов. Механизм селекции микроорганизмов. Технология синтеза гена искусственным путем и введения в геном бактерий. Отрасли применения биотехнологии.
презентация , добавлен 22.01.2012
Водоросли как компоненты бактериальных удобрений и как биологические индикаторы. Витамины, содержащиеся в них. Использование водорослей для биологической очистки сточных вод. Их применение в качестве пищевых добавок. Изготовление биотоплива из водорослей.
презентация , добавлен 02.02.2017
Физиолого-биохимические особенности галофильных микроорганизмов. Галофильные микроорганизмы и их применение в промышленности. Выделение из проб воды озера Мраморное галофильных микроорганизмов, определение их численности. Результаты исследования.
курсовая работа , добавлен 05.06.2009
Характер и оценка влияния разнообразных факторов внешней среды на микроорганизмы: физических, химических и микробиологических. Значение микроорганизмов в сыроделии, развитие соответствующих процессов при производстве конечного продукта, этапы созревания.
реферат , добавлен 22.06.2014
Обзор способов размножения бактерий, актиномицетов, дрожжей, плесневых грибов. Влияние лучистой энергии и антисептиков на развитие микроорганизмов. Роль пищевых продуктов в возникновении пищевых заболеваний, источники инфицирования, меры профилактики.
контрольная работа , добавлен 24.01.2012
Микрофлора готовых лекарственных форм. Объекты санитарно-бактериологического обследования в аптеках. Определение микробной обсемененности растительного лекарственного сырья. Микробная обсемененность препаратов. Определение патогенных микроорганизмов.
презентация , добавлен 06.03.2016
Изучение способности некоторых микроорганизмов деструктировать жировые вещества различной химической природы. Исследование морфолого-культуральных и физиологических свойств аборигенных микроорганизмов, анализ и особенности их деструктивной активности.
В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки – вино, пиво, коньяк, спирт – и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочнокислые бактерии и т.д.
Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение.
Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например, спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.
Многие виды брожения – спиртовое, молочнокислое, ацетонобутиловое, уксуснокислое, лимоннокислое и другие, вызываемые различными микроорганизмами, используют в промышленности. Например, в производстве этилового спирта, хлеба, пива, вина применяют дрожжи; в производстве лимонной кислоты – плесневые грибы; в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона – бактерии. Основная цель указанных производств – превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. В других производствах, например в производстве хлебопекарных дрожжей, главной задачей является накопление максимального количества культивируемых дрожжей.
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, - бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксусного, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по приведенному уравнению 2СН 3 СНОНСООН.
Молочнокислые бактерии бывают цилиндрические или палочковидные, а так же сферические, грамположительные, неподвижные, неспорообразующие.
Оптимальная температура для роста большинства молочнокислых бактерий 20…30 о С, как и другие бесспоровые бактерии, они погибают при 70…75 о С.
В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют другие органические кислоты (в основном - уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного хлеба.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применятся для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующая при молочнокислом брожении молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует а-амилазу.
Маслянокислые бактерии – строгие анаэробы, имеющие крупные спорообразующие шарики длиной до 10 мкм. Наряду с масляной кислотой они могут образовывать в меньших количествах уксусную, молочную, капроновую, каприловую и другие кислоты, а также этиловый и бутиловый спирты. Оптимальная температура для роста бактерий 30…40 о С, при рН ниже 4,9 они не развиваются.
К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетонобутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.
Уксуснокислые бактерии – грамотрицательные, палочковидные бесспоровые строгоаэробные организмы, развивающиеся в тех же условиях, что и дрожжи. Используют для получения уксуса (раствор уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению:
СН 3 СН 2 ОН + О 2 = СН 3 СООН + Н 2 О + 487 кДж
Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.
Гнилостные бактерии – вызывают распад белковых веществ. В аэробных условиях происходит полная минерализация белка вплоть до диоксида углерода, аммиака, сероводорода, воды и минеральные веществ. Особенно большой вред гнилостные бактерии наносят дрожжам, сокращая сроки их хранения. Нитриты в концентрации даже 0,0005% задерживают размножение дрожжей.
Дрожжи. Широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.
Для пищевых производств имеет значения дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а остальные отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторым признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У первых на протяжении всего периода жизнедеятельности клетки изолированы друг от друга, а у вторых клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. cerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей находится в пределах 25-30 о С, а минимальная температура около 2-3 о С. При 40 о С рост прекращается, дрожжи отмирают, но низкие температуры дрожжи переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас.
Дрожжи верхового брожения в стадии верхового брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затеи они оседают, но не дают плотного осадка. Эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам и не склеиваются друг с другом в отличии от хлопьевидных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются клейкими, что приводит к слипанию и быстрому осаждению клеток.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относятся большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхнего брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные СО 2 , человек стал вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.
Как отмечалось ранее, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этиловый спирт и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная, лимонная и пировиноградные кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и так называемые сивушные масла (изоамиловый, изотопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Однако сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента, содержащегося в оболочке дрожжевой клетки – В –фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара- до 60%. Они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %. Токсичное действие спирта увеличивается с повышением температуры.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 СО 2 + 6Н 2О + 2824 кДж
Так как этот процесс энергетически более богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под влиянием кислорода воздуха получило название эффекта Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. cerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстро размножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства.
В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.
В виноделии ценятся дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S/ vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низкого брожения. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.
В пивоваренной промышленности применяют дрожжи низовые вида S/ carlsbergensis (в основном хлопьевидные расы). Брожение, вызываемое ими, хорошо протекает при температурах от 6 до 8 о С.
Дрожжи семейства несахаромицетов вырабатывают в качестве ценного корма для сельскохозяйственных животных.
В таких отраслях, как пивоварение и дрожжевое производство, дрожжеподобные грибы являются вредителями производства.
Зигомицеты. Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной - при частичной замене солода несоложеным зерном и т.д.
В производстве лимонной кислоты А. Niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Однако в ряде случаев плесневые грибы вызывают порчу пищевых продуктов.
Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, домашнем хозяйстве, микробиологической промышленности для получения аминокислот, ферментов, органических кислот, витаминов и др. К классическим микробиологическим производствам относится виноделие, пивоварение, приготовление хлеба, молочнокислых продуктов и пищевого уксуса. Например, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста, невозможны без использования дрожжей, широко распространенных в природе.
История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 г. была основана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью около 70 %, которые могли храниться всего несколько недель. Длительное хранение было невозможно, так как клетки прессованных дрожжей оставались живыми, сохраняли свою активность, что и приводило к их автолизу и гибели. Одним из способов промышленного консервирования дрожжей стало высушивание. В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в анабиотическом состоянии и может сохраняться длительное время. Первые сухие дрожжи появились в 1945 г. В 1972 г. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные дрожжи. С середины 1990-х годов появилось третье поколение сухих дрожжей: пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые объединили достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специализированных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи позволяют не только улучшить качество хлеба, но и активно противостоять процессу черствения.
Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются и в производстве этилового спирта.
Виноделие использует множество разных рас дрожжей, чтобы получить уникальную марку вина с только ему присущими качествами.
Молочнокислые бактерии принимают участие в приготовлении таких пищевых продуктов, как квашеная капуста, соленые огурцы, маринованные маслины и множество других маринованных продуктов.
Молочнокислые бактерии преобразуют сахар в молочную кислоту, которая предохраняет пищевые продукты от гнилостных бактерий.
С помощью молочнокислых бактерий готовят большой ассортимент молочнокислых продуктов, творог, сыр.
Однако многие микроорганизмы играют отрицательную роль в жизни человека, являясь возбудителями болезней человека, животных и растений; они могут вызывать порчу пищевых продуктов, разрушение различных материалов и т.п.
Для противоборства с такими микроорганизмами были открыты антибиотики - пенициллин, стрептомицин, грамицидин и др., которые являются продуктами метаболизма грибов, бактерий и актиномицетов.
Микроорганизмы дают человеку необходимые ферменты. Так, амилазу используют на предприятиях пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Протеаза вызывает разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазу из грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. В настоящее время ее используют при производстве моющих средств. При консервировании фруктовых соков применяют такой фермент, как пектиназа.
Микроорганизмы используют для очистки сточных вод, переработки отходов пищевой промышленности. При анаэробном разложении органического вещества отходов образуется биогаз.
В последние годы появились новые производства. Из грибов получают каротиноиды и стероиды.
Бактерии синтезируют многие аминокислоты, нуклеотиды и другие реактивы для биохимических исследований.
Микробиология является быстроразвивающейся наукой, достижения которой во многом связаны с развитием физики, химии, биохимии, молекулярной биологии и др.
Для успешного изучения микробиологии требуется знание перечисленных наук.
В настоящем курсе в основном рассматривается микробиология пищевых продуктов. Множество микроорганизмов живет на поверхности тела, в кишечнике человека и животных, на растениях, на пищевых продуктах и на всех предметах вокруг нас. Микроорганизмы потребляют самую разнообразную пищу, чрезвычайно легко приспосабливаются к изменяющимся условиям жизни: теплу, холоду, недостатку влаги и т. п. Они очень быстро размножаются. Без знания микробиологии нельзя грамотно и эффективно управлять биотехнологическими процессами, сохранить высокое качество пищевых продуктов на всех этапах его производства и предотвратить потребление продуктов, содержащих возбудителей пищевых заболеваний и отравлений.
Следует особо подчеркнуть, что микробиологические исследования пищевых продуктов, не только с точки зрения технологических особенностей, но и, что не менее важно, с точки зрения их санитарно-микробиологической безопасности, являются самым сложным объектом санитарной микробиологии. Это объясняется не только разнообразием и обилием микрофлоры в продуктах питания, но и использованием микроорганизмов в производстве многих из них.
В этой связи, при микробиологическом анализе качества и безопасности продуктов питания следует различать две группы микроорганизмов:
– специфическая микрофлора;
– неспецифическая микрофлора.
Специфическая – это культурные расы микроорганизмов, которые используются для приготовления того или иного продукта и являются обязательным звеном в технологии его производства.
Такая микрофлора используется в технологии получения вина, пива, хлеба, всех кисломолочных продуктов.
Неспецифическая – это микроорганизмы, которые попадают в пищевые продукты из окружающей среды, загрязняя их. Среди этой группы микроорганизмов различают сапрофитные, патогенные и условно-патогенные, а также микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов.
Степень загрязнения зависит от множества факторов, к которым следует отнести правильность заготовки сырья, его хранения и переработки, соблюдение технологических и санитарных режимов производства продуктов, их хранения и транспортировки.
Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих процессов лежат реакции обмена веществ, происходящих при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
С помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты, органические кислоты и т.д.
Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, - бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по уравнению
C 6 H 12 O 6 ® 2CH 3 – CH – COOH + 75 кДж
В производстве ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гомоферментативные участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные, наряду с молочной кислотой, образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяется для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся молочная кислота подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ.
Маслянокислые бактерии превращают сахар в масляную кислоту по уравнению
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + H 2 + Q
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению
C 2 H 5 OH + O 2 ® CH 3 COOH + H 2 O +487 кДж
Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении вызывает порчу пива.
Дрожжи. Применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, в хлебопечении.
Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных клетки изолированы друг от друга, а у хлопьевидных клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. сerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей 25-30 0 С, а минимальная температура около 2-3 0 С. При 40 0 С рост прекращается, дрожжи отмирают, при низких температурах размножение приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относят большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.
Как известно, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всего сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента дрожжей b - фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде не остается глюкозы и фруктозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60 %, они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ® 6CO 2 + 6H 2 O + 2824 кДж
Так как процесс более энергетически богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под действием кислорода воздуха называют эффектом Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении.
В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Они должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата. Температура брожения 6-8 0 С.
В виноделии ценят дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.
Зигомицеты – плесневые грибы, они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоварении при частичной замене солода несоложеным сырьем и т.д.
В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, с другой - в пищевые производства попадает инфекция, т.е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве) и из окружающей среды попадают в производство.
Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.
