Физиология микроорганизмов. Важнейшие микробиологические

Физиология
микроорганизмов.
Важнейшие
микробиологические
процессы.
План лекции:
1.
Обмен веществ как главная
особенность
живого
организма.
Химический
состав
микробной
клетки.
Физиология
микроорганизмов.
2. Брожение.
3. Гниение.
1. Обмен веществ как главная особенность живого
организма. Химический состав микробной клетки.
Физиология микроорганизмов.
Организм
находится
в
сложных
взаимоотношениях с окружающей средой. Из нее
он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло.
Создавая посредством этих веществ и энергии
массу живого вещества, строит свое тело. Однако,
используя эту среду, организм благодаря своей
жизнедеятельности одновременно и воздействует
на нее, изменяет ее. Следовательно, главным
процессом взаимосвязи организма и среды
является обмен веществ и энергией.
Обмен веществ является одним из
основных
свойств
живой
материи,
необходимым условием жизни. В процессе
обмена
веществ
происходит
как
расходование свободной энергии, так и
накопление ее в сложных органических
соединениях или в форме электрических
зарядов
на
поверхности
клеточных
мембран.
Физические и химические процессы в
живом организме не теряют своего
внутреннего качественного содержания, но
существенно изменяются в направлении,
определяемом законами развития живой
материи. Накопление свободной энергии
стало возможно только в живом организме.
Эта качественно новая форма обмена
энергии появилась с момента выделения
живого
из
неживого.
Химический состав микробной
клетки
Клетки микроорганизмов на 75—85 % состоят
из воды и на 15—25 % из сухого вещества. В состав
сухого вещества клетки входят углерод, кислород,
азот, водород и минеральные элементы.
Каждая клетка содержит множество
химических элементов, участвующих в различных
химических реакциях. Химические процессы,
протекающие в клетке — одно из основных
условий её жизни, развития и функционирования.
Одних химических элементов в клетке больше,
других — меньше.
Условно все элементы
клетки можно разделить на три
группы.
1 Макроэлементы
2 Микроэлементы
3 Ультрамикроэлементы
Макроэлементы
К
макроэлементам
относят
кислород (65—75 %), углерод (15—18
%), водород (8—10 %), азот (2,0—3,0 %),
калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2 %),
фосфор (0,2—1,0 %), хлор (0,05—0,1 %),
магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—
0,03 %), кальций (0,04—2,00 %), железо
(0,01—0,015 %). Такие элементы, как C,
O, H, N, S, P входят в состав
органических
соединений.
Микроэлементы
К микроэлементам, составляющим
от 0,001 % до 0,000001 % массы тела
живых существ, относят ванадий,
германий, йод (входит в состав
тироксина,
гормона
щитовидной
железы), кобальт (витамин В12),
марганец, никель, рутений, селен, фтор
(зубная эмаль), медь, хром, цинк.
Ультрамикроэлементы
Ультрамикроэлементы
составляют
менее
0,0000001 % в организмах живых существ, к
ним относят золото, серебро, которые
оказывают бактерицидное воздействие, ртуть,
подавляющую обратное всасывание воды в
почечных канальцах, оказывая воздействие на
ферменты. Также к ультрамикроэлементам
относят платину и цезий. Некоторые к этой
группе относят и селен, при его недостатке
развиваются раковые заболевания. Функции
ультрамикроэлементов ещё мало понятны.
Молекулярный состав клетки
Соединения
Неорганические
Вода
Минеральны
е соли
70-80%
1,0-1,5%
Органические
Белки
10-20%
Углеводы
0,2-2,0%
Жиры
1,0-5,0%
Нуклеиновые
кислоты
1,0-2,0%
АТФ, соли и
др. вещества
0,1-0,5%
Физиология
микроорганизмов
Физиология
микроорганизмов
изучает
функции, а также биохимические процессы,
происходящие в их клетках и окружающей среде.
Конкретно
физиология
микроорганизмов
рассматривает их питание, дыхание, размножение,
движение, спорообразование и превращение
веществ.
Питание микроорганизмов происходит
по средствам диффузии (самостоятельное
проникновение) и осмоса (проникновение
под влиянием чего-то) жидких питательных
веществ сквозь полупроницаемую оболочку
клетки и выделения наружу продуктов
обмена. Быстрота процесса проникновения
питательных веществ через оболочку
зависит от строения клетки, в том числе от
концентрации питательных веществ в ней и
окружающей среде, и внешних условий.
Большинство микроорганизмов живет в
солевых растворах, приближающихся к 0,5 %ному
раствору
хлористого
натрия,
обеспечивающих
осмотическое
давление
клеточного сока в пределах 3—6 атмосфер. При
внесении
микроорганизмов
в
концентрированные
гипертонические
растворы поваренной соли или сахара вода из
них отсасывается наружу и протоплазма клеток
сморщивается.
Это явление называется
плазмолизом.
В
таких
условиях
микроорганизмы прекращают развитие и в
большинстве случаев гибнут.
Микроорганизмы,
помещенные
в
гипотонические растворы (дистиллированную
воду), сильно набухают под воздействием
притекающей извне воды, округляются, некоторые
из них разрываются. Явление набухания носит
название
плазмоптиса.
Микроорганизмы для питания используют
самые разнообразные вещества. В живой
микробной клетке концентрация веществ всегда
несколько выше, чем в окружающей среде.
Поэтому происходит слабый избыточный приток
воды из внешней среды внутрь клетки, вследствие
чего ее эластичная оболочка напрягается. Такое
состояние клетки называется туpгopом, а
давление, растягивающее оболочку, тургорным.
По
способу
использования
углерода
микроорганизмы делятся на автотрофов (автос
— сам, трофе — питание) и гетеротрофов
(гетерос
—
другой).
Автотрофы, или прототрофы (протос —
простой), усваивают углерод из углекислоты
воздуха.
Гетеротрофы
—
микроорганизмы,
усваивающие углерод
только из
готовых
органических соединений. К ним относятся
микроорганизмы
брожения,
гнилостные и
патогенные (болезнетворные) микроорганизмы.
Гетеротрофные микроорганизмы, в свою
очередь, делятся на метатрофы (мета — после и
трофе — питание), или сапрофиты (сапрос —
гнилой, фитон — растение), и паратрофы (пара
— возле, трофе — питание), или патогенные.
Первые питаются мертвыми питательными
веществами, вторые размножаются только в живых
существах. Паратрофы являются возбудителями
болезней
растений,
беспозвоночных
и
позвоночных
животных.
Деление
микроорганизмов на автотрофов, метатрофов и
паратрофов весьма условно. Резких граней между
ними нет. Многие паратрофы (патогенные
микроорганизмы) могут развиваться и на мертвых
питательных
средах.
Дыхание
микроорганизмов.
Питание
микроорганизмов
обеспечивает
построение оболочки, цитоплазмы и ядерной
субстанции, а также размножение. Питание, как
правило,
сопровождается
эндотермическими
реакциями (с поглощением тепла), а дыхание,
наоборот, экзотермическими реакциями (с
освобождением тепла). Эти процессы протекают
одновременно и обеспечивают необходимый для
жизни обмен веществ,
выражающийся в
ассимиляции (усвоении) нужных веществ и
диссимиляции
(выведении)
отработанных
вредных шлаков.
По типу дыхания микроорганизмы делятся
на аэробы (аэр —воздух) и анаэробы (не
нуждающиеся
в
кислороде
воздуха).
Аэробы живут в присутствии кислорода
воздуха и получают тепловую энергию при
окислении и расщеплении углеводов, при этом
углевод расщепляется до воды и углекислоты,
выделяя большое количество энергии. Так, грамммолекула глюкозы образует 688 больших калорий
тепла. Реакция протекает по формуле С6Н1206+602
=
6СО
+
6Н20
+
688
килокалорий.
Анаэробы могут жить и развиваться только
при отсутствии кислорода воздуха, для анаэробов
такой
кислород
является
ядом.
Эти
микроорганизмы в процессе дыхания получают
энергию и необходимый для построения клетки
связанный
кислород
путем
расщепления
органических соединений. Между облигатными
(строгими) аэробами и анаэробами существует
много
переходных
групп.
Имеются
микроорганизмы
факультативные
(необязательные)—аэробы и анаэробы, могущие
развиваться
в
тех
и
других
условиях.
2. Брожение
Брожение — это анаэробный метаболический
распад молекул (например, сахаров или глюкозы) с
помощью микроорганизмов с получением таких
продуктов как этанол, углекислый газ, молочная
кислота, уксусная кислота, этилен и т.д. Брожение
часто используется для приготовления или
хранения продуктов питания. Чаще, говоря о
брожения, имеют в виду превращение сахара в
спирт с помощью дрожжей, но, например, при
производстве йогуртов используется брожения с
помощью других бактерий.
Брожение делится на 2 группы:
1. Типичные анаэробные брожения;
2. Относительные аэробные брожения.
Типичные анаэробные брожения бывают:
1. Спиртовое брожение;
2. Молочнокислое брожение;
3. Маслянокислое брожение;
Относительные аэробные брожения:
1. Уксуснокислое брожение;
2. Лимоннокислое брожение.
Типичные брожения
Спиртовое брожение — это процесс окисления
углеводов, в результате которого образуются этиловый
спирт, углекислота и выделяется энергия.
Спиртовое брожение есть процесс разложения
сахара на спирт и углекислый газ. Оно протекает под
действием микроорганизмов в виде следующей
реакции:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2
+ 27 ккал
сахар
этиловый
углекислый энергия
спирт
газ
Кроме этилового спирта и углекислого газа, при
этом получаются также побочные продукты: уксусный
альдегид, глицерин, сивушные масла (бутиловый,
изобутиловый, амиловый и изоамиловый спирты),
уксусная и янтарная кислоты и др.
Спиртовое брожение углеводов вызывается
дрожжами, отдельными представителями мукоровых
грибов и некоторыми бактериями. Однако грибы и
бактерии вырабатывают спирта значительно меньше,
чем дрожжи. Сбраживаться могут лишь углеводы, и
притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают
только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу,
фруктозу,
маннозу).
Процесс
спиртового
брожения
—
многоступенчатый, состоящий из цепи химических
реакций. Биологический смысл спиртового брожения
заключается в том, что образуется определенное
количество энергии, которая запасается в форме АТФ,
а затем расходуется на все жизненно необходимые
процессы
клетки.
Спиртовое брожение делится:
1. Верховое;
2. Низовое.
Верховое брожение протекает очень энергично, с
образованием на поверхности субстрата большого
количества пены и с бурным выделением
углекислого газа, потоками которого дрожжи
выносятся в верхние слои субстрата. Дрожжи,
вызывающие такое брожение, называются
верховыми дрожжами. После окончания брожения
они оседают на дно бродильных сосудов.
Низовое брожение, вызываемое низовыми
дрожжами, идет значительно спокойнее, с
образованием небольшого количества пены.
Углекислый газ выделяется постепенно и дрожжи
остаются в нижнем слое сбраживаемого субстрата.
Верховые дрожжи применяют для получения
спирта и пекарских дрожжей, низовые - для
производства вина и пива. Для получения вина и
пива иногда используют и верховые дрожжи.
Молочнокислое брожение - процесс анаэробного
окисления углеводов, конечным продуктом при котором
выступает молочная кислота. Название получило по
характерному продукту — молочной кислоте. Для
молочнокислых бактерий является основным путем
катаболизма углеводов и основным источником энергии в
виде АТФ. Молочнокислые бактерии подразделяют на 2
группы – гомоферментативные и гетероферментативные.
Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus
delbrückii) расщепляют моносахариды с образованием двух
молекул
молочной
кислоты.
Гетероферментативные
бактерии
(например,
Bacterium lactis aerogenes) ведут сбраживание с
образованием молочной кислоты, уксусной кислоты,
этилового спирта и CO2, а также образуют небольшое
количество ароматических веществ - диацетила, эфиров и
другие.
Гомоферментативное молочнокислое брожение
используется для получения молочной кислоты, при
изготовлении различных кислых молочных продуктов,
хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве.
Гетероферментативное молочнокислое брожение
происходит при консервировании различных плодов и
овощей
путём
квашения.
Молочнокислое брожение представляет собой
разложение сахара под действием молочнокислых
бактерий с образованием молочной кислоты. В общем
суммарном виде его можно представить следующим
уравнением:
С6Н12О6
=
2С3Н6О3
+
18
ккал.
Молочнокислые бактерии бывают шаровидной и
палочковидной формы. Они неподвижны, спор не
образуют и являются факультативными анаэробами.
Молочнокислые бактерии способны сбраживать только
моно- и дисахариды и совсем не сбраживают крахмал и
другие
полисахариды,
так
как
не
выделяют
соответствующих
ферментов.
Некоторые из этих бактерий вырабатывают
антибиотические
вещества,
действующие
против
возбудителей
кишечных
заболеваний.
Молочнокислые бактерии широко распространены
в природе, они постоянно встречаются в почве, на
различных растениях, на плодах и овощах, в молоке и т. д.
Наибольшее
значение
имеют
следующие
молочнокислые бактерии: молочнокислый стрептококк,
болгарская, ацидофильная, сырная, дельбрюковская,
огуречная,
капустная
палочки
и
др.
Маслянокислое брожение — брожение, в ходе
которого образуется масляная кислота C3H7COOH. При
этом водород и углекислота являются побочными
продуктами. Маслянокислое брожение — результат
деятельности анаэробных бактерий, в том числе рода
Клостридиум. Как следует из названия, такое брожение
связано
с
прогорканием
жиров.
Этот вид брожения применяют для производства масляной
кислоты,
которая
широко
используется
в
промышленности.
Кроме масляной кислоты образуются также
уксусная,
пропионовая,
валериановая,
капроновая,
янтарная, муравьиная и другие кислоты, этиловый,
бутиловый, амиловый, пропиловый спирты. В щелочной
среде преобладает выход бутилового спирта и ацетона, что
имеет
большое
промышленное
значение.
Маслянокислые бактерии представляют собой
подвижные, довольно крупные палочки. Они образуют
споры, которые располагаются центрально или ближе к
одному из концов клетки, придавая ей форму веретена или
теннисной ракетки. Споры довольно термоустойчивы,
выдерживают кипячение в течение нескольких минут.
Характерной особенностью этих бактерий является
наличие в клетках крахмалоподобного полисахарида
гранулезы (в виде зернышек-гранул), окрашивающегося от
йода в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.
Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую
гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу
консервов (бомбаж), прогоркание молока, увлажнение
муки и других продуктов, чем наносят большой ущерб
народному хозяйству. Они вызывают порчу квашеных
овощей; образующаяся при этом масляная кислота придает
продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный
запах.
В производствах, основанных на жизнедеятельности
дрожжей,
маслянокислые
бактерии
являются
вредителями, так как масляная кислота отравляет дрожжи.
Борьба с ними затруднительна из-за высокой устойчивости
спор.
Аэробные окислительные
процессы
К
окислительным
(аэробным)
относятся
вызываемые
микроорганизмами
биохимические
процессы, протекающие с участием кислорода воздуха.
Большинство
аэробных
микроорганизмов
окисляют органические вещества в процессе дыхания
до С02 и Н2О. Однако некоторые окисляют их лишь
частично. Конечными продуктами такого неполного
окисления чаще являются кислоты. Поскольку эти
продукты сходны с теми, которые образуются при
брожениях, некоторые процессы неполного окисления
условно называют окислительными брожениями.
Уксуснокислое брожение — это окисление
бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:
СН3СН2ОН + О2'=СН3СООН + Н2О.
При уксуснокислом брожении реакция
окисления этилового спирта протекает в две
стадии: сначала образуется уксусный альдегид,
который затем окисляется в уксусную кислоту:
2СН8СН2ОН + О2 -> 2СН3СНО + 2Н2О;
2СН8СНО + 02 -* 2СН8СООН.
Возбудителем
уксуснокислого
брожения
является
уксусный
гриб
(Mycoderma
aceti)
Уксуснокислые
бактерии
представляют
собой
грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые,
строго аэробные организмы. Среди них есть
подвижные
и
неподвижные
бактерии.
Оптимальная температура роста для различных
уксуснокислых бактерий 20—35° С. Некоторые из них
способны синтезировать витамины В1 В2, B12, однако
многие сами нуждаются в витаминах и прежде всего в
пантотеновой кислоте.
Уксуснокислые бактерии часто встречаются в виде
длинных нитей и многие образуют пленки на поверхности
субстрата. Например, для A. pasteurianum характерна
пленка сухая морщинистая, для A. xylinum— мощная,
хрящевидная. Некоторые бактерии сплошной пленки не
образуют, а дают только островки ее на поверхности
жидкости или «кольцо» около стенок сосуда. Появление
пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.
Уксуснокислым
бактериям
свойственна
изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях
развития бактерии приобретают необычную форму —
толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые
клетки.
Уксуснокислые бактерии широко распространены в
природе, они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в
квашеных
овощах,
вине,
пиве,
квасе.
На уксуснокислом брожении основано промышленное
получение
уксуса
для
пищевых
целей.
Лимоннокислое брожение. При лимоннокислом
брожении сахар под воздействием грибов окисляется в
лимонную кислоту. Эту кислоту раньше получали из сока
цитрусовых – лимонов и апельсинов. В настоящее время ее
производят в основном путем брожения. В качестве
возбудителя лимоннокислого брожения применяется гриб
асспергиллус
нигер.
Сырьем для производства лимонной кислоты
служит сахаросодержащий продукт - меласса. Мелассный
раствор, включающий около 15% сахара и необходимые
грибу питательные вещества, разливают в плоские
открытые сосуды и засевают спорами гриба. Сосуды
помещают в бродильные камеры, которые хорошо
проветривают. Процесс брожения продолжается в течение
6-8
дней
при
температуре
около
30°С.
По окончании брожения мелассный раствор из-под
пленки гриба сливают, затем из него выделяют лимонную
кислоту, которую подвергают последующей очистке и
кристаллизации. Выход лимонной кислоты составляет 5060%
от
количества
израсходованного
сахара.
В последнее время начинают применять новый
метод получения лимонной кислоты. При этом гриб
находится не на поверхности сбраживаемого субстрата, а
внедряется своим мицелием в толщу субстрата, который
энергично насыщают воздухом. Такой способ ускоряет
процесс накопления лимонной кислоты в сбраживаемом
субстрате.
Лимонная кислота находит широкое практическое
применение,
она
используется,
например,
при
изготовлении кондитерских и кулинарных изделий,
безалкогольных
напитков
и
т.
д.
3. Гниение.
Гниением называется разложение белковых веществ
микроорганизмами. Белки являются важнейшей составной
частью живого и отмершего органического мира, содержатся
во многих пищевых продуктах. Белки характеризуются
большим разнообразием и сложностью строения.
Разложение белка начинается с его гидролиза под
влиянием протеолитических ферментов, выделяемых
микробами в окружающую среду. Гидролиз белков
протекает
в
несколько
стадий.
Первичными
продуктами
гидролиза
являются
пептоны
и
полипептиды, мало отличающиеся от исходного белка,
но обладающие меньшим молекулярным весом.
Пептоны и полипептиды затем расщепляются более
глубоко, до образования аминокислот, которые
являются конечными продуктами гидролиза.
Процесс гидролиза белка можно представить в виде
следующей
схемы:
белок
пептоны
полипептиды
аминокислоты.
Аминокислоты
подвергаются
дальнейшему
расщеплению, в результате чего образуются различные
продукты гниения, многие из которых характеризуются
неприятным запахом (аммиак, сероводород, индол, скатол,
меркаптаны
и
др.).
В качестве конечных продуктов гниения при этом
образуются аммиак, углекислый газ, вода, сероводород и
соли фосфорной кислоты, то есть минеральные вещества.
В анаэробных условиях не происходит полного
окисления
органических
соединений,
являющихся
продуктами
распада
аминокислот.
Поэтому кроме аммиака и углекислоты среди
конечных веществ гниения накапливаются различные
органические кислоты, спирты, амины и другие
органические соединения, сообщающие гниющему
материалу
отвратительный
тошнотворный
запах.
Гнилостные микроорганизмы широко распространены в
природе.
Среди гнилостных микроорганизмов наибольшее
значение имеют бактерии. Гнилостные бактерии бывают
спорообразующие и бесспоровые, аэробные и анаэробные.
Чаще других гниение вызывают следующие
аэробные бактерии: бациллус субтилис (сенная палочка) и
бациллус мезентерикус (картофельная палочка). Обе эти
бактерии подвижны и образуют споры, отличающиеся
устойчивостью
к
высоким
температурам.
К числу гнилостных бактерий, разрушающих
белковые вещества в аэробных условиях, относится также
бациллус. микоидес. Эта бактерия широко распространена
в
почве.
Она
представляет
собой
подвижную
спорообразующую
палочку.
Наиболее
распространенными
и
активными
возбудителями гниения в анаэробных условиях являются
бациллус
путрификус
и
бациллус
спорогенес.
Среди факультативных анаэробов разложение белка
вызывает
протеус
вульгарис
(протей).
Бактерии
представляют собой мелкие, бесспоровые, очень
подвижные палочки. Эта бактерия обладает способностью
менять форму и размеры на разных питательных
субстратах. При разложении белка протей образует
сероводород и индол, а на средах, богатых углеводами,
выделяет большое количество углекислоты и водорода.
Хорошо развивается при температуре в пределах 25-37°С.
Оптимальная температура развития для большей
части гнилостных микроорганизмов находится в пределах
25-35°С. Низкие температуры не вызывают их гибели, а
лишь приостанавливают развитие. При температуре 4-6°С
жизнедеятельность
гнилостных
микроорганизмов
подавляется. Бесспоровые гнилостные бактерии погибают
при температуре выше 60°С, а спорообразующие бактерии
выдерживают
нагревание
до
100°С.
В природе гниение играет большую положительную
роль. Оно является составной частью круговорота веществ.
Гнилостные процессы обеспечивают обогащение почвы
такими формами азота, которые необходимы растениям.
Однако
гнилостные
микроорганизмы
могут
вызывать порчу многих пищевых продуктов и материалов,
содержащих белковые вещества. Для предотвращения
порчи продуктов гнилостными микроорганизмами следует
обеспечивать такой режим их хранения, который исключал
бы
развитие
этих
микроорганизмов.