Тема № 1. Введение - место и роль микроорганизмов в природе и
КУРС ЛЕКЦИЙ «МИКРОБИОЛОГИЯ»
для студентов- заочников специальностей:
260201- Технология хранения и переработки зерна
260202- Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий
260401- Технология жиров
2600602- Пищевая инженерия малых предприятий
200503- Стандартизация и сертификация (в пищевой промышленности)
260203- Технология сахаристых продуктов
260204- Технология бродильных производств и виноделия
260503- Технология субтропических и пищевкусовых продуктов
260504- Технология консервов и пищеконцентратов
260501- Технология продуктов общественного питания
260505- Технология продуктов детского и функционального питания
Краснодар 2006
Тема № 1. Введение - место и роль микроорганизмов в природе и
Тема № 3. Физиология микроорганизмов. Химический состав микроорганизмов. Питание микробной клетки. Гетеротрофный и автотрофный типы питания. Конструктивный и энергетический обмен. Рост и размножение микроорганизмов.
Физиология микроорганизмов. Изучает процессы их роста, развития, питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, их взаимодействия с окружающей средой. Знание физиологических процессов микроорганизмов создает научную основу для проведения культивирования (выращивания) и идентификации (распознавания) видов микробов, а также получения биологических и лечебных препаратов (заквасок, витаминов, ферментов, аминокислот, антибиотиков, вакцин и др.).
Понятие об обмене веществ. Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой. Термин метаболизм объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса- анаболизм и катаболизм.
Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный или строительный обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т.е. использованию микробами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.
Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенных в них энергии. Эта энергия используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки.
Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Например, при благоприятных условиях в течение суток одна клетки бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы, соответственно высока и скорость прироста биомассы микроорганизмов. Основная часть пищи расходуется микроорганизмами в энергетическом обмене, при котором в среду выделяется большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, диоксид углерода, водород и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного, животного пищевого и непищевого сырья и обуславливает порчу пищевого сырья.
Химический состав микроорганизмов.Состав веществ тела микроорганизмов мало отличается от состава тела растений и животных.
Для определения потребностей микроорганизмов в питательных веществах необходимо знать их химический состав. Элементарный состав клеток микроорганизмов довольно разнообразен и представлен в процентах от сухого вещества клетки: углерод-50, кислород-20, азот-14, водород-8, фосфор-3, сера, калий , натрий- по 1, кальций, магний, хлор- по 0,5, железо-0,2, все остальные по 0,3. Эти элементы играют различную физиологическую роль. Так углерод, кислород, азот и водород входят в состав всех без искючения живых организмов, их называют органогенами. Эти элементы составляют основу органических веществ; водород и кислород входят в состав воды; кислород необходим для дыхания аэробным микроорганизмам. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав важных органических соединений клетки фосфолипидов, АТФ и др. Сера необходима для серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, гомоцистеина, метионина), без которых невозможен синтез белков.
Микробная клетка состоит из воды и сухих веществ. Количество воды для большинства микробов колеблется от 75 до 85% и находится в клетке в свободном и связанном состояниях, что имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Так как все вещества поступают в клетку только с водой и с ней же удаляются продукты обмена из клетки. Свободная вода служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений. Связанная вода является структурным элементом цитоплазмы и не может быть растворителем. Содержание воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. В спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, за счет низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и изменения в обмене веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает гибель клетки.
Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15-25% и состоит преимущественно (до85-95%) из органических соединений- белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений.
Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их зависит от вида микроорганизмов, условий выращивания и возраста и составляет в среднем от 40 до 60%. По аминокислотному составу белки микроорганизмов сходны с белками других организмов. Некоторые белки (ферменты) выполняют каталитические функции: осуществляют различные биохимические реакции, постоянно протекающие в микробной клетке).
Многие микроорганизмы могут накапливать большое количество белков в составе своих клеток и их можно рассматривать в качестве продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких «белковых продуктов» определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья (отходов различных производств).
Углеводы составляют 15-20% сухого вещества и содержатся в микробных клетках в основном в виде полисахаридов. Углеводы входят в состав капсул. Клеточных мембран и цитоплазмы, а также являются запасными веществами в виде включений гранулезы и гликогена.
Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках в виде рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. ДНК сосредоточена главным образом в ядре эукариотных клеток и в нуклеодах прокариотных (бактериальных клеток). В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и рибосомах.
Липиды составляют 3-10% сухого вещества, входят в состав клеточных оболочек и надежно защищают клетку от воздействий окружающей среды, а также откладываются в виде запасных гранул. Часть липидов связаны с другими веществами клетки, образуя сложные комплексы (эфиры сложных кислот и углеводов, воска и фосфолипиды). Пигменты и красящие вещества, обуславливают окраску микроорганизмов. Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений- бактериохлорофилл. Фототрофные бактерии и некоторые дрожжи образуют пигменты- каротиноиды, которые участвуют как и бактериохлорофилл в ассимиляции углекислого газа. У некоторых грибов(мицеллиальных и дрожжевых)в значительных количествах образуется желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А .
Минеральные вещества составляют 5-15% сухого вещества клетки и представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений (нуклеиновых кислот, АДФ, АТФ). Минеральные соединения играют важную роль в регулировании внутриклеточного давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.
Питание микробной клетки.Анаболизммикроорганизмов. Питание-это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которго они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасов.
Большинство микроорганизмов, также как и растения, обладают голофитным способом питания, или внеклеточным (внешним) пищеварением, которое происходит в окружающей среде( субстрате) под действием экзоферментов микроорганизмов.
Существует также голозойный способ питания (внутриклеточное пищеварения), которое происходит под действием эндоферментов. Оно присуще простейшим и некоторым низкоорганизованным организмам и характеризуется заглатыванием(обволакиванием) плотных частиц пищи, перевариванием и превращением их в растворимые соединения(эндоцитоз).
Возможность проникновения веществ извне в клетку обусловлено многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны; концентрацией веществ в клетке и в среде. Имеют значение также и свойства клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, являющихся барьерами, через которые должны проникнуть в клетку питательные вещества; имеет значение электрический заряд поверхности клетки и др.
Вещества питательной среды могут поступать в клетку в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов.
Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью и служит осмотическим барьером. Так как проницаемость ее для различных веществ неодинакова. Известно несколько путей проникновения питательных веществ в клетку.
Пассивная диффузияподчиняется законам осмоса. При осмотическом проникновении веществ через полупроницаемую мембрану движущей силой является разность осмотических давлений (концентраций веществ) в растворах по обе стороны мембраны, т.е. между средой и клеткой. При этом концентрация растворенных солей внутри клетки несколько выше (по сравнению с субстратом), а так как вода по закону осмоса стремится в сторону противоположной концентрации, то она поступает в клетку увлекая с собой питательные вещества. Такой пассивный перенос веществ (по градиенту концентрации) протекает до выравнивания концентраций и не требует затраты энергии. При этом внутреннее напряжение клетки (так называемый тургор) является одним из основных условий обеспечивающих нормальное поступления в нее питательных веществ. Для большинства микроорганизмов тургор наиболее выражен при 0,85%-ной концентрации солей в окружающей среде. Эта концентрация называется изотонической.
При гипертонической концентрации, т.е. при повышении ее до 2-3% наступает плазмолиз (обезвоживание)- сжатие, сморщивание цитоплазмы и отслаивание ее от клеточной стенки. При помещении микроорганизмов в гипотонический раствор (например, дистиллированная вода) – вода прямым потоком поступает внутрь клетки. Объем клетки при этом увеличивается, происходит набухание и разрушение оболочки клеток. Это явление получило название плазмоптиза.
Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. При облегченной диффузии кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики являются специфичными по отношению к субстрату. Так дрожжевые клетки поглощают сахара путем облегченной диффузии, а у анаэробов этим способом происходит поглощение некоторых соединений и выделение продуктов обмена.
Активный транспорт. Поступление питательных веществ осуществляется против градиента концентраций с затратами энергии со стороны клетки и при участии специфических белков-переносчиков (пермеаз), локализованных в цитоплазматической мембране. Пермеазы сходны с ферментами и обладают субстратной специфичностью- каждая транспортирует определенное вещество. На внешней стороне цитоплазматической мембране пермеаза адсорбирует вещество, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее в цитоплазму. Выход растворенных веществ осуществляется как при участии пермеаз- путем облегченной диффузии, так видимо и путем пассивной диффузии.
Конструктивный обмен.Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизмов в химических элементах и энергии, необходимых для синтеза веществ и структур клетки. В зависимости от того, какие химические элементы поступают из веществ питательной среды их называют источниками углерода, азота, фосфора и др.
Кислород и водород микроорганизмы получают из воды, содержатся они также во многих используемых органических соединениях.
Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота весьма разнообразны.
Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы (питающийся самостоятельно) игетеротрофы (питающийся другими).
Автотрофы усваивают углерод из диоксида углерода воздуха и в зависимости от вида используемой энергии для фиксации СО2 их соответственно называют фото- и хемосинтезирующими.
Фотосинтезирующие используют энергию солнечных лучей. Они напоминают зеленые растения, образующие в процессе фотосинтеза углеводы из СО2 и Н2О. К этой группе относят цветные бактерии, имеющие в цитоплазме своих клеток пигменты типа хлорофилла. Как, например, пурпурные серные бактерии, сине-зеленые водоросли и др.
Хемоситезирующие используют энергию химических реакций окисления минеральных (неорганических) веществ. К ним относят нитрифицирующие бактерии, бесцветные серобактерии, железобактерии, нитчатые, тионовые, водородные бактерии и др.
Гетеротрофы наиболее многочисленная группа микроорганизмов, которые могут использовать углерод только из готовых органических субстратов животного и растительного происхождения. Микроорганизмы называют сапрофитами (метатрофами), если они используют мертвый органический субстрат. Они разлагают различные органические вещества в природе, вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья. Многие сапрофиты всеядны, т.е. способны использовать разнообразные органические соединения. Существуют и такие, которые нуждаются в определенных соединениях (например- микробы использующие метан, парафины и др.) Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют в небольших количествах и СО2 , который служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки. Вторая подгруппа гетеротрофов - паразиты (паротрофы) питаются живыми органическими субстратами. Сюда относятся преимущественно болезнетворные микроорганизмы, т.е. паразитирующие в живых организмах. Абсолютными (внутриклеточными) паразитами являются вирусы и риккетсии, которые развиваются в живых клетках человека, животных, растений и микроорганизмов.
В отличие от вирусов и риккетсий многие патогенные микроорганизмы- паразиты могут размножатся на искусственных питательных средах, т.е. по типу питания занимают промежуточное положение между паразитами и сапрофитами (патогенные стафилококки, стрептококки, возбудители бруцеллеза, туберкулеза, сибирской язвы и др. инфекционных болезней).
Источники азота. В зависимости от источника азота все микроорганизмы можно разделить также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.
Аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических источников. Они представлены двумя подгруппами: азотфиксирующие и нитритно-нитратные микроорганизмы. Азотфиксирующая подгруппа способна усваивать молекулярный азот воздуха (актиномицеты, азотфиксирующие- свободноживущие и симбиотические). Нитритно - нитратные микроорганизмы окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и усваивают эти окисленные формы азота.
Аминогетеротрофы используют органические источники азота. К ним относятся дезаминирующие, пептонные, протеолитические и паротрофные микроорганизмы. Дезаминирующие микроорганизмы могут усваивать только аминокислоты (некоторые патогенные бактерии). Пептонные бактерии потребляют только органические соединения типа пептонов, так как не способны расщеплять цельную белковую молекулу (молочнокислые, пропионовокислые бактерии, энтерококки, микрококки и кишечные палочки). Протеолитические микроорганизмы или гнилостные в качестве источника азота используют натуральные белки, которые предварительно разлагаются их экзоферментами (гнилостные бактерии, актиномицеты, плесени). Паротрофные микроорганизмы в качестве источника азота используют белковые вещества живого организма (патогенные).
Установить резкую грань между автотрофами и гетеротрофами не всегда удается. Некоторые патогенные микроорганизмы во внешней среде ведут сапрофитный образ жизни, и наоборот, некоторые сапрофиты в зависимости от состояния микроорганизма могут вызвать заболевания.
Минеральные элементы. Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. Потребность в них невелика, но без некоторых элементов невозможны рост и развитие микрооргнизмов. Калий активизирует ферментативные процессы, ускоряет течение физиологических процессов. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу. Пептидазу и другие ферменты. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, принимает активное участие в процессах дыхания (окисления). Сера –один из компонентов белков , входит в состав некоторых аминокислот. Железо необходимо в малых количествах входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления. Микроэлементы нужны микробной клетке еще в меньших количествах. Но их недостток ведет к нарушению нормального роста и развития. Молибден. бор, марганец, кобальт, медь и др. микроэлементы являются компонентами многих ферментов и витаминов. Для получения этих химических элементов в питательные среды для микроорганизмов вводят минеральные соединения.
Факторы роста. Активаторы биологических процессов, по своему действию являются витаминами и витаминоподобными соединениями. Одни микрооргаизмы должы получать витамины в готовом виде, а другие синтезируют витамины в количествах значительно превышающих собственные потребности. На этом основан микробиологический путь получения рибофлавина (витмин В2), каротиноидов (провитамин А), эргостерина (провитамин Д).
Культивирование микробов в условиях лабораторий осуществляется на искусственных питательных средах. Для гетеротрофов среды должны содержать экстракты из продуктов животного и растительного происхождения с добавлением пептона. Пептон универсальный источник азота, являющийся продуктом неполного расщепления белков посредством фермента пепсина в кислой среде. В отличие от животных многие микробы могут использовать самые различные субстраты в качестве продуктов питания. Они растут на бумаге, дереве, коже, резине и т.д. Одни из них для своей жизнедеятельности используют парафиновые углеводороды, нефть, керосин; а другие- элективные (избирательные, селективные) среды, имеющие определенный состав.
Энергетический обмен.Описанные выше процессы конструктивного процесса – синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматическую мембрану и многие другие процессы жизнедеятельности - протекают с затратой энергии. Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.
У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия улавливается фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию и обеспечивает энергетические потребности клетки.
Источником энергии у хемоавтотрофов служит химическая энергия, получаемая при окислении неорганических соединений (аммиак, сероводород и др.).
Хемогетеротрофы получают энергию в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы хемогетеротрофами. Но одни способны окислять многие органические вещества, а другие-лишь небольшой набор их. Некоторые микроорганизмы могут проявлять большую специфичность к энергетическому материалу.
Поскольку все микроорганизмы: возбудители порчи пищевых продуктов и используемые при переработке пищевого сырья относятся к хемогетеротрофам ниже рассматриваются именно их энергодающие процессы. К ним относят дыхание (1) и брожение(2). Суммарные уравнения выглядят следующим образом:
1.С6Н12О6 +6 О2=6СО2+6Н2О+674 ккал,
2.С6Н12О6 → 2СН3СН2ОН+2СО2+27 ккал.
Дыхание (биологическое окисление)- сложный процесс окисления различных органических соединений и некоторых минеральных соединений (нитратов и сульфатов). Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекулярного азота происходят по схеме (3). Сульфатное дыхание-восстановление сульфатов до сероводорода, сопровождающееся выделением такого же количества энергии–по схеме (4):
3.5С6Н12О6+24КNО3→24КНСО3+18Н2О+12N2+6СО2+270 ккал.
4. С6Н12O6+3К2S О4 →3К2СО3+3СО2+3Н2О+3Н2S+270 ккал.
В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление его присоединение. Эти термины применяют к реакциям связанным с переносом протонов и электронов, или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении –их присоединение.
Различают два типа биологического окисления: прямое и непрямое. При прямом окислении органические вещества, такие как молекулярный водород, оксид углерода, метан, сера, аммиак, соли азотистой кислоты, железо и др. окисляются атмосферным кислородом с помощью ферментов оксидаз. При прямом окислении неорганических веществ получают энергию автотрофные почвенные бактерии.
При непрямом окислении происходит отщепление водорода от донора и его присоединение к акцептору. Поэтому непрямое окисление называют дегидрированием. Непрямому окислению путем дегидрирования подвергаются органические вещества при помощи дегидрогеназ. Различают аэробное и анаэробное дегидрирование. При аэробном дегидрировании микроорганизмы используют в качестве конечного акцептора водорода атмосферный кислород. Водород отщепляется от донора с помощью фермента дегидрогеназы и передается акцептору не сразу, а проходит ряд промежуточных этапов.
При аэробном дегидрировании происходит полное и неполное окисление. В случае полного окисления конечными продуктами являются вода и диоксид углерода, происходит высвобождение всей энергии. При неполном окислении освобождается лишь часть энергии. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная. Щавелевая, янтарная и др., которые образуются плесневыми грибами. Также осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями (5):
5. СН3СН2ОН+О2→СН3СООН+Н2О+80 ккал
При анаэробном дегидрировании микробы используют в качестве акцептора водорода не кислород, а азот, серу, углерод и другие соединения, которые образуются при распаде субстрата (пировиноградной кислоты). При этом водород довольно легко соединяется с азотом, серой, углеродом, которые восстанавливаются до аммиака, сероводорода и метана.
Дегидрирование углеводов называют брожением, оно чаще проходит в анаэробных условиях. Конечными продуктами брожения являются органические кислоты, этиловый и бутиловый спирты, ацетон и другие продукты. Таким образом, прямое окисление и дегидрирование приводят к одному результату- окислению субстрата, т.е. отщеплению от субстрата водорода и присоединение его к акцептору ( восстановление). Перенос электрона всегда сопровождается освобождением энергии, которая немедленно утилизируется клеткой с помощью особых соединений АТФ и АДФ (аденозинтрифосфата и аденозиндифосфата). В них она накапливается в органических фосфатных (макроэргических) связях и расходуется клеткой по мере необходимости.
По типу дыхания микроорганизмы разделяют на четыре основные группы: облигатные аэробы, облигатные и факультативные- анаэробы и микроаэрофиллы.
Облигатные (строгие) аэробы растут при свободном доступе кислорода воздуха, имеют ферменты, обеспечивающие передачу водорода от донора ( электронов субстрата) конечному акцептору кислороду воздуха. Размножаются при наличии в атмосфере до21% кислорода, на питательных средах растут на верхних слоях (уксуснокислые бактерии, возбудитель туберкулеза, пигментные гнилостные бактерии, многие плесени и др. микроорганизмы.
Облигатные анаэробы способны к размножению только в атмосфере, свободной от кислорода, или при его содержании не более 5%. У этих микроорганизмов конечным акцептором водорода является субстрат (азотсодержащие вещества, углеводы и др.). Эти микробы растут на дне пробирке под значительным слоем питательной среды. В эту группу входят маслянокислые и прпионовокислые бактерии, гнилостные клостридии, возбудитель ботулизма бифидобактерии и др. Для некоторых строгих анаэробов кислород является ядом.
Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода, так и в его отсутствтвии. Они имеют набор ферментов, обеспечивающих аэробный и анаэробный тип биологического окисления(дыхания). Развиваются по всей толщине питательной среды. Эта многочиленная группа микроорганизмов. К которым относятся молочнокислые бактерии, стафилококки, бактерии группы кишечной палочки, гнилостные бактерии рода Протеус.
Микроаэрофиллы нуждаются в значительно аэробы. Они развиваются при концентрации кислорода в окружающей среде не более 10%, т.е. у них преобладает аэробный тип дыхания (актиномицеты, лептоспиры, возбудители бруцеллеза, некоторые плесневые грибы.
Классификация по типам питания.При классификации по типам питания на первое место ставится вид используемой энергии в соответствии с этим микроорганизмы делят на фототрофы и хемотрофы. Каждую из этих групп в зависимости от окисляемого вещества в свою очередь делят на литотрофы( лито-минерал, камень) и органотротрофы:
1.Фототрофы 2. Хемотрофы
1.1. Фотолитотрофы 2.1. Хемолитотрофы
1.2. Фотоорганотрофы 2.2. Хеморганотрофы.
Рост и размножение микроорганизмов.Сложные процессы метаболизма, происходящие в клетке, отражаются такими явлениями как рост и размножение микроорганизмов. «Рост» означает увеличение массы клеток в результате си6нтеза клеточного материала. Интенсивность роста микроорганизмов можно определить делением их массы на численность особей в единице объема в отдельные промежутки времени. Рост индивидуальной клетки заканчивается размножением.
Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, т.е. увеличению количества особей микробной популяции на единицу объема. Мтикроорганизмы характеризуются высокими темпами размножения: у бактерий -20 мин.; у дрожжей-30 -90 мин.; у мицеллиальных грибов- 5-6 часов. Однако в действительности такого быстрого размножения микробов не происходит, т. к. продолжительность периода размножения зависит от вида микроорганизма, возраста, характера среды, условий культивирования (темпертура, рН, накопившиеся метаболиты и др.) и т.п.
Размножение микроорганизмов в ограниченном объеме жидкой питательной среды (в пробирке, колбе) происходит в определенной закономерности и представлено на рис. …..
Эта кривая косвенно характеризует также и отмирание клеток параллельно идущее с размножением клеток. На кривой размножения различают четыре основные последовательные фазы роста культуры:
-начальная фаза-лаг-фаза (фаза задержки роста);
-логарифмическая фаза- лог-фаза;
-стационарная фаза;
- фаза отмирания.
Лаг-фаза- период задержки роста микроорганизмов, в течение которого внесенные в питательную среду микробы адаптируются к питательной среде и начинают размножаться с нарастающей скоростью. Продолжительность лаг-фазы составляет 1-4 часа и зависит от видовых особенностей микроорганизмов, количества засеваемого материала, питательных веществ и др. В этой фазе размеры клеток в три-пять раз больше обычных , имеют большукю биохимическую и энергетическую активность и отличаются повышенной чувствительностью к различным бактерицидным факторам.
Логарифмическая фаза характеризуется быстрым и постоянным размножением микробов. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии. В этот период морфологические свойства типичны для данного вида, вся популяция однородна, устойчивость клеток к неблагоприятным факторам возрастает. Продолжительность этой фазы 5-8 часов. Для длительного нахождения микроорганизмов в этой фазе (в так называемой непрерывной культуре) в сосуд непрерывно вводят новые порции питательной среды и одновременно удаляют из него соответствующее количество микробной суспензии вместе с продуктами метаболизма.
Стационарная фаза завершает период роста культуры и продолжается 4-5 часов. Она характеризуется сбалансированным размножением и отмиранием микроорганизмов. Отмирание микроорганизмов происходит в результате истощения питательной среды и накоплением продуктов обмена. В этой стадии наряду с типичными клетками встречаются дегенеративные и инволюционные формы.
Фаза отмирания (старение культуры) характеризуется массовой гибелью клеток, т.е. гибелью с постоянной скоростью через равные промежутки времени. Причиной отмирания клеток является изменение физико-химических свойств среды и лизис клеток под действием собственных ферментов. Микробы могут утрачивать подвижность, способность воспринимать окраску, у споровых видов наряду с отмиранием вегетативных клеток происходит образование спор, меняется биохимическая активность и т.д. Продолжительность фазы может составлять от 7-10 суток до 30.
Описанные закономерности развития популяции будут правильными при выращивании в оптимальных условиях (состав среды, рН, температура).
Рост микроорганизмов в жидкой питательной среде может проявляться помутнением и изменением цвета среды, наличием или отсутствием пристеночного кольца и поверхностной пленки различного характера, наличием или отсутствием осадка.
При размножении на плотных питательных средах микроорганизмов образуют колонии, которые представляют собой видимые скопления особей одного вида и формирующиеся в результате размножения , как правило, одной клетки. Они бывают круглой, розеткообразной, звездчатой, древовидной формы. Могут иметь поверхность гладкую, пушистую, выпуклую, плоскую, куполообразную, вдавленную. Строение края колонии могут быть ровным ( С-форма) и шероховатым (Р-форма). Различают колонии по размеру диаметра: мелкие-1-2мм, средние 2-4мм, крупные свыше 4 мм. Колонии отличаются также по консистенции, плотности, прозрачности и цвету.
Различные виды микроорганизмов образуют специфические колонии на плотных питательных средах и дают характерный рост на жидких средах. Особенности роста микробов на питательных средах называют культуральными свойствами .
Тема №6 Важнейшие биохимические процессы превращений, вызываемые микроорганизмами: брожения - спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое и их модификации; окислительные брожения - уксусно-кислое, лимонно-кислое; превращение белков- гниение.
Луи Пастером установлено, что изменения происходящие при брожении являются результатом жизнедеятельности микроорганизмов. В зависимости от преобладающих конечных продуктов различают типы брожений: спиртовое, молочно-кислое, масляно-кислое, их модификации и др. виды брожения.
Спиртовое брожение. Спиртовым брожением называют процесс превращения сахаров под действием ферментативной активности некоторых видов бактерий, мицеллиальных и дрожжевых грибов с накоплением в качестве основного продукта этилового спирта и углекислого газа:
С6Н12О6®2С2Н5ОН + 2СО2+ Q.
Но основными возбудителями этого вида брожения являются дрожжи (сахаромицеты). В анаэробных условиях превращение сахара в спирт происходит не сразу, процесс идет через ряд промежуточных реакций и протекает как бы в две стадии: первая (окислительная) включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образованием двух молекул восстановленного НАД×Н2 (первичный акцептор водорода):
С6Н12О6®2СН3СОСООН+2 НАД×Н2.
Под действием фермента пируватдекарбоксилазы дрожжи катализируют реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением СО2 и образованием уксусного альдегида :
2СН3СОСООН®2СН3СНО+ 2СО2,
а вторая стадии (восстановительная) НАД×Н2 передает Н конечному акцептору (уксусный альдегид), который превращается в этиловый спирт:
2СН3СНО+ 2НАД×Н2 ®2С2Н5ОН+ НАД
С энергетической точки зрения брожение процесс мало экономичный, так как при сбраживании грамм-молекулы глюкозы синтезируется всего два моля АТФ.
Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла (смесь высших спиртов) и некоторые другие вещества. Нормальное брожение протекает в кислой среде при рН 4-5. В щелочной среде при подщелачивании среды до рН 8 или при введении в среду бисульфита натрия направление брожения изменяется в сторону увеличения выхода глицерина (глицериновое брожение):
2С6Н12О6®2СН2ОНСНОНСН2ОН +С2Н5ОН +СН3СООН + 2СО2+ Q
При интенсивной аэрации среды дрожжевые грибы меняют тип энергетического обмена и переходят с процесса брожения на процесс дыхания, что называютэффектом Пастера: С6Н12О6 + 6О2 ®6СО2 +6Н2О + Q
Дыхание является более выгодным энергетическим процессом так как так как при сбраживании грамм-молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул АТФ.
Процесс спиртового брожения лежит в основе хлебопечения, бродильных производств (виноделие, пивоварение, производство этилового спирта), глицерина. Совместно с молочно-кислым брожением используется при получении некоторых молочно-кислых продуктов (кефира, кумыса), при квашении овощей. Эффект Пастера используется для получения большого количества биомассы дрожжей (хлебопекарные и кормовые).
Молочно-кислое брожение. Это процесс превращения сахара в молочную кислоту по характеру брожения различают две группы молочно-кислых бактерий: гомоферментативные (типичные) и гетероферментативные (нетипичные).
Гомоферментативные бактерии образуют в основном (не менее 85-90%) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов:
2С6Н12О6®2СН3СНОНСООН + Q
Гетероферментативные бактериинаряду с молочной кислотой обра