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 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

C6H12O6 ® 2CH3 – 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

C6H12O6 ® CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + H2 + Q

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению

C2H5OH + O2 ® CH3COOH + H2O +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 0С, а минимальная температура около 2-3 0С. При 40 0С 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:

C6H12O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O + 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 0С.

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.

Читайте также:

II. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТ (ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ) ПО ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ РЫБЫ И МОРЕПРОДУКТОВ
Thema: Informationstechnologien (Информационные технологии)
V. Конкуренция импорта с отечественным производством
Автоматизированное производство.
Активная часть основных производственных средств
Анализ использования производственного оборудования.
Анализ использования производственных мощностей.
Анализ основных экономических показателей деятельности производственных отраслей
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
Анализ производственных запасов Курского ОАО «Прибор»

Читайте также:

Значение бактерий в нашей жизни. Открытие пенициллина и развитие медицины. Результаты применения антибиотиков в растительном и животном мире. Что такое пробиотики, принцип их действия на организм людей и животных, растений, преимущества применения.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Применение микроорганизмов в медицине, сельском хозяйстве; преимущества пробиотиков

Родникова Инна

ВВЕДЕНИЕ

Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании.

Собственно сам термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г.

при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.

Из вышеизложенного мы видим, что уже довольно длительное время жизнедеятельность человека неразрывно связана с живыми микроорганизмами. И если столько лет люди успешно, хотя и безсознательно, « сотрудничали» с бактериями, логично будет задать вопрос — а для чего, собственно, нужно расширять свои познания в этой области?

Ведь и так вроде бы всё отлично, мы умеем печь хлеб и варить пиво, готовить вино и кефир, чего ещё надо? Зачем нам Биотехнологии? Некоторые ответы можно найти в этом реферате.

МЕДИЦИНА И БАКТЕРИИ

На протяжении всей истории человечества (вплоть до начала двадцатого века) семьи имели много детей т.к.

очень часто дети не доживали до зрелого возраста, они погибали от множества заболеваний, даже от легко излечимого в наше время воспаления лёгких, что уж говорить о таких тяжёлых болезнях, как холера, гангрена, чума. Все эти заболевания вызваны болезнетворными микроорганизмами и считались неизлечимыми, но, наконец, учёные медики поняли, что побороть «злые» бактерии под силу другим бактериям, или вытяжкой из их ферментов.

Впервые это удалось заметить Александру Флемингу на примере элементарной плесени.

Оказалось, что некоторые виды бактерий прекрасно уживаются с плесенью, но стрептококки и стафилококки в присутствии плесени не развивались.

Многочисленные прежде опыты с размножением вредоносных бактерий показали, что некоторые из них способны уничтожать других и не допускают их развития в общей среде. Это явление было названо „антибиозом» от греческого „анти» — против и „биос» — жизнь. Работая над нахождением действенного противомикробного средства, Флеминг об этом прекрасно знал. У него не было никаких сомнений, что на чашке с таинственной плесенью он встретился с явлением антибиоза. Он начал тщательно исследовать плесень.

Спустя некоторое время ему удалось даже выделить из плесени противомикробное вещество. Поскольку плесень, с которой он имел дело, носила видовое латинское название Penicilium notatum полученное вещество он назвал пенициллином.

Таким образом, в 1929 году, в лаборатории лондонской больницы св. Марии родился хорошо известный нам пенициллин.

Предварительные испытания вещества на подопытных животных показали, что даже при инъекции в кровь оно не приносит вреда, и одновременно в слабых растворах прекрасно подавляет стрептококки и стафилококки.

Роль микроорганизмов в технологии пищевых производств

Ассистент Флеминга, доктор Стюарт Греддок, заболевший гнойным воспалением так называемой гайморовой полости, был первым человеком, который решился принять вытяжку пенициллина.

Ему ввели в полость небольшое количество вытяжки из плесени, и уже через три часа можно было убедиться, что состояние его здоровья значительно улучшилось.

Таким образом, было положено начало эпохи антибиотиков, которые спасли миллионы жизней, как в мирное время, так и во времена войны, когда раненые умирали не от тяжести ранения, а от заражений, связанных с ними. В дальнейшем велись разработки новых антибиотиков, на базе пенициллина, способов их получения для широкого применения.

БИОТЕХНОЛОГИИ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Следствием прорыва в медицине, стал быстрый демографический подъём.

Население резко увеличивалось, а значит, требовалось больше пищи, а в связи с ухудшением экологии из-за ядерных испытаний, развития промышленности, истощения гумуса обрабатываемой земли, появилось множество заболеваний растений и скота.

Сначала, люди лечили животных и растения антибиотиками и это приносило свои результаты.

Рассмотрим эти результаты. Да, если обрабатывать овощи, фрукты, зелень и др. в период вегетации сильными фунгицидами, то это поможет подавить развитие некоторых болезнетворных микроорганизмов (не всех и не полностью), но, во-первых, это приводит к накоплению в плодах ядов и токсинов, а значит, снижаются полезные качества плода, во-вторых, вредные микробы быстро вырабатывают иммунитет к травящим их веществам и последующие обработки должны проводится всё более и более сильными антибиотиками.

То же явление наблюдается и в животном мире, и, к сожалению, у человека.

К тому же, в организме теплокровных антибиотики вызывают ещё ряд негативных последствий, таких как дисбактериоз, деформации плода у беременных, и др.

Как же быть? Сама природа даёт ответ на этот вопрос! И этот ответ — ПРОБИОТИКИ!

В ведущий институтах биотехнологий и генной инженерии давно занимаются выводом новых и селекцией известных микроорганизмов, которые обладают удивительной жизнестойкостью и способностью «побеждать» в борьбе с другими микробами.

Эти элитные штаммы такие как «bacillus subtilis» и «Licheniformis» широко применяются для лечения людей, животных, растений невероятно эффективно и совершенно безопасно.

Как такое возможно? А вот как: в организме людей и животных обязательно содержится множество необходимых бактерий. Они участвуют в процессах пищеварения, образования ферментов и составляют почти 70% иммунной системы человека. Если по какой-либо причине (приём антибиотиков, неправильное питание) у человека нарушен бактериальный баланс, то он оказывается незащищённым от новых вредоносных микробов и в 95% случаев заболеет снова.

То же относится и к животным. А элитные штаммы, попадая в организм, начинают активно размножаться и уничтожать патогенную флору, т.к. уже говорилось выше, они обладают большей жизнеспособностью. Таким образом, с помощью штаммов элитных микроорганизмов, можно поддерживать макро организм в здоровье без антибиотиков и в гармонии с природой, т. к. сами по себе, находясь в организме, данные штаммы приносят только пользу и никакого вреда.

Они лучше, чем антибиотики ещё и потому, что:

ответ микромира на введение в деловую практику суперантибиотиков очевиден и следует из уже имеющегося в распоряжении ученых экспериментального материала — рождение супермикроба.

Микробы удивительно совершенные саморазвивающиеся и самообучающиеся биологические машины, способные запоминать в генетической памяти созданные ими механизмы защиты от губительного для них воздействия антибиотиков и передавать информацию потомкам.

Бактерии представляют собой своего рода «биореактор», в котором производятся ферменты, аминокислоты, витамины и бактериоцины, которые также как и антибиотики нейтрализуют болезнетворные микроорганизмы.

Однако при этом не возникает ни привыкания к ним, ни побочных действий, типичных при применении химических антибиотиков. Наоборот, они способны, очистить стенки кишечника, повысить их проницаемость для необходимых питательных веществ, восстановить биологический баланс кишечной микрофлоры и стимулировать всю иммунную систему

Ученые воспользовались естественным для природы путем поддержания здоровья макро организма, а именно — из природной среды выделили бактерии — сапрофиты, обладающие свойством подавлять рост и развитие патогенной микрофлоры, в том числе и в желудочно-кишечном тракте теплокровных.

Миллионы лет эволюции живого на планете создали столь замечательные и совершенные механизмы подавления патогенной микрофлоры непатогенной, что сомневаться в успехе такого подхода не приходится.

Непатогенная микрофлора в конкурентной борьбе побеждает в бесспорном большинстве случаев и, если бы это было не так — нас с вами не было бы сегодня на нашей планете.

На основании вышеизложенного, учёные, производящие удобрения и фунгициды для применения в сельском хозяйстве, тоже постарались перейти с химического на биологический взгляд.

И результаты не замедлили себя проявить! Выяснилось, что те же самые bacillus subtilis успешно борются аж с семьюдесятью разновидностей патогенных представителей, вызывающих такие заболевания садово-огородных культур, как бактериальный рак, фузариозное увядание, корневая и прикорневая гниль и др., ранее считавшиеся неизлечимыми болезнями растений, с которыми не мог справиться НИ ОДИН ФУНГИЦИД!

Кроме того, эти бактерии оказывают явно положительное влияние на вегетацию растения: сокращается срок налива и созревания плодов, увеличиваются полезные качества плодов, снижается содержание в них нитратов и др.

токсичных веществ, а главное — значительно уменьшается потребность в минеральных удобрениях!

Препараты, содержащие штаммы элитных бактерий, уже занимают первые места на российских и международных выставках, они завоёвывают медали за эффективность и экологичность. Уже начали их активное использование мелкие и крупные сельхозпроизводители, а фунгициды и антибиотики постепенно уходят в прошлое.

Подукция компании «Био-Бан» это препараты «Флора-С» и «Фитоп-Флора-С» предлагает сухие торфо-гуминовые удобрения, содержащие концентрированные гуминовые кислоты (а насыщенный гумус — залог отличного урожая) и штамм бактерий «bacillus subtilis» для борьбы с болезнями. Благодаря этим препаратам, можно в короткие сроки восстановить истощённую землю, увеличить урожайность земли, защитить свой урожай от болезней, а главное, возможно получать отличные урожаи в зонах рискового земледелия!

Я считаю, приведённых аргументов достаточно, что бы оценить преимущества пробиотиков и понять, почему же учёные утверждают, что двадцатый век — век антибиотиков, а двадцать первый — век пробиотиков!

Подобные документы

Селекция микроорганизмов

Понятие и значение селекции как науки о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов.

Оценка роли и значения микроорганизмов в биосфере, и особенности их использования. Формы молочнокислых бактерий.

презентация , добавлен 17.03.2015

Биология животных

Значение паукообразных и насекомых в медицине и сельском хозяйстве, борьба с вредителями. Критерии разделения позвоночных на анамнии и амниоты. Цикл жизни малярийного плазмодия.

контрольная работа , добавлен 12.05.2009

Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение

Оснвные способы получения генетически модифицированных растений и животных. Трансгенные микроорганизмы в медицине, химической промышленности, сельском хозяйстве.

Неблагоприятные эффекты генно-инженерных организмов: токсичность, аллергия, онкология.

курсовая работа , добавлен 11.11.2014

Методы селекции животных и микроорганизмов

Отличия животных от растений.

Особенности отбора животных для селекции. Что такое гибридизация, ее классификация. Современные разновидности селекции животных. Сферы использования микроорганизмов, их полезные свойства, методы и особенности селекции.

презентация , добавлен 26.05.2010

Классификация микроорганизмов. Основы морфологии бактерий

Изучение предмета, основных задач и истории развития медицинской микробиологии.

Систематика и классификация микроорганизмов. Основы морфологии бактерий. Исследование особенностей строения бактериальной клетки. Значение микроорганизмов в жизни человека.

лекция , добавлен 12.10.2013

Характеристика микроорганизмов молочнокислых, бифидобактерий и пропионовокислых бактерий, используемых при производстве биомороженого

Пробиотики как непатогенные для человека бактерии, обладающие антагонистической активностью в отношении патогенных микроорганизмов.

Знакомство с особенностями пробиотических лактобацилл. Анализ кисломолочных продуктов с пробиотическими свойствами.

реферат , добавлен 17.04.2017

Современное учение о происхождении микроорганизмов

Гипотезы о зарождении жизни на Земле.

Изучение биохимической деятельности микроорганизмов, их роли в природе, жизни человека и животных в работах Л. Пастера. Генетические исследования бактерий и вирусов, их фенотипическая и генотипическая изменчивость.

реферат , добавлен 26.12.2013

Совершенствование потребительских свойств пробиотических препаратов

Влияние пробиотиков на здоровье человека.

Иммуностимулирующие, антимутагеные свойства пропионовокислых бактерий. Влияние йода на биохимические свойства бактерий-пробиотиков. Качественная характеристика йодированных препаратов, биохимические показатели.

статья , добавлен 24.08.2013

Биоинженерия – использование микроорганизмов, вирусов, трансгенных растений и животных в промышленном синтезе

Производство продуктов микробного синтеза первой и второй фазы, аминокислот, органических кислот, витаминов.

Крупномасштабное производство антибиотиков. Производство спиртов и полиолов. Основные типы биопроцессов. Метаболическая инженерия растений.

курсовая работа , добавлен 22.12.2013

Использование полезных микроорганизмов

Роль микроорганизмов в природе и сельском хозяйстве.

контрольная работа , добавлен 27.09.2009

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).

Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.

В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты.

Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.

Создание среды. Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод.

Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино - из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.

Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды.

Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред - ревниво оберегаемым секретом.

Стерилизация. Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника.

Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации.

Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности

Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие.

О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.

Получение культуры. Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре.

Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1-10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.

Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.

Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.

Рост в промышленном ферментере (биореакторе). Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях.

Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста - постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.

Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы.

Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается.

Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.

В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями

Acetobacter . Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.

Выделение и очистка продуктов. По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона.

При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона.

Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза.

Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения - экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации. Переработка и ликвидация отходов ферментации. При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи.

Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода. Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.

Микробная биомасса. Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных.

Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.

Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н.

белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле.

Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л

Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс - получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

Продукты метаболизма. После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой.

Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах.

В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама.

Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов - сверхпродуцентов соответствующих веществ.

В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения - организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью.

Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества.

В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин - иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) - вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин - препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин - антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.

Ферменты микробного происхождения. В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации.

Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов.

Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.

Рекомбинантные продукты. Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты - соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы.

На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья.

Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.

Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор

VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой.

Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие - повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом.

Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.

Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, - технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин.

Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.

Биотрансформация веществ. Микроорганизмы можно использовать для превращения тех или иных соединений в структурно сходные, но более ценные вещества. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические. Наиболее известный процесс биотрансформации - получение уксуса в результате превращения этанола в уксусную кислоту.

Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины.См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии (специальный выпуск журнала «Scientific American»).

М., 1984
Биотехнология. Принципы и применение . М., 1988

Производство Использование микроорганизмов человеком.

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. К примеру, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста͵ невозможны без использования дрожжей, широко распространенных в природе.

История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 ᴦ. была основана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью около 70 %, которые могли храниться всœего 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 ᴦ. В 1972 ᴦ. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные дрожжи.

Использование микроорганизмов в пищевой промышленности

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.

При этом 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.

Сегодня 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 всœех предметах вокруг нас. Микроорганизмы потребляют самую разнообразную пищу, чрезвычайно легко приспосабливаются к изменяющимся условиям жизни: теплу, холоду, недостатку влаги и т.

п. Οʜᴎ очень быстро размножаются. Без знания микробиологии нельзя грамотно и эффективно управлять биотехнологическими процессами, сохранить высокое качество пищевых продуктов на всœех этапах его производства и предотвратить потребление продуктов, содержащих возбудителœей 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 — ϶ᴛᴏ 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, всœех кисломолочных продуктов.

Неспецифическая — ϶ᴛᴏ 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.

Введение

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются 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.

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.

Основная цель данной работы – изучить методы и условия культивирования микроорганизмов

· Ознакомиться с областями применения микроорганизмов

· Изучить морфологию и физиологию микроорганизмов

· Изучить основные виды и состав питательных сред

· Дать понятие и ознакомиться с биореактором

· Раскрыть основные методы культивирования микроорганизмов

Морфология и физиология микроорганизмов

Морфология

Классификация микроорганизмов

Бактерии

Бактерии - это одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Ве­личина их измеряется в микрометрах (мкм). Различают три основные формы: шаровидные бактерии - кокки, палочковидные и извитые.

Кокки (греч. kokkos - зерно) имеют шаровидную или слегка вытя­нутую форму. Различаются между собой в зависимости от того, как они располагаются после деления. Одиночно расположенные кокки - мик­рококки, расположенные попарно - диплококки. Стрептококки де­лятся в одной плоскости и после деления не расходятся, образуя цепоч­ки (греч. streptos - цепочка). Тетракокки образуют сочетания из четырех кокков в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины (лат. sarcio - связывать) образуются при делении в трех взаимно перпендику­лярных плоскостях и имеют вид скоплений по 8-16 кокков. Стафило­кокки в результате беспорядочного деления образуют скопления, напо­минающие гроздь винограда (греч. staphyle - виноградная гроздь).

Палочковидные бактерии (греч. bacteria - палочка), способные образовывать споры, называют бациллами в том случае, если спора не шире самой палочки, и клостридиями, если диаметр споры превышает диаметр палочки. Палочковидные бактерии, в отличие от кокков, разнообразны по ве­личине, форме и расположению клеток: короткие (1 -5 мкм) толстые, с зак­ругленными концами бактерии кишечной группы; тонкие, слегка изогну­тые палочки туберкулеза; располагающиеся под углом тонкие палочки дифтерии; крупные (3-8 мкм) палочки сибирской язвы с "обрубленными" концами, образующие длинные цепочки - стрептобациллы.

К извитым формам бактерий относятся вибрионы, имеющие слегка изогнутую форму в виде запятой (холерный вибрион) и спириллы, состоящие из нескольких завитков. К извитым формам также относятся кампилобактеры, похожие под микроскопом на крылья летящей чайки.

Структура бактериальной клетки.

Структурные элементы бактери­альной клетки можно условно разделить на:

а) постоянные структурные элементы - имеются у каждого вида бактерий, в течение всей жизни бакте­рии; это клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид;

Б) непостоянные структурные элементы, которые способны обра­зовывать не все виды бактерий, а те бактерии, которые образуют их, могут терять их и вновь приобретать в зависимости от условий существования. Это капсула, включения, пили, споры, жгутики.

Рис. 1.1. Структура бактериальной клетки

Клеточная стенка покрывает всю поверхность клетки. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая: до 90% - это полимерное соединение пептидогликан, связанный с тейхоевыми кис­лотами, и слой белка. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но сложнее по составу: состоит из тонкого слоя пептидогликана, липополисахаридов, белков; она покрыта наружной мембраной.

Функции клеточной стенки состоят в том, что она:

Является осмотическим барьером,

Определяет форму бактериальной клетки,

Защищает клетку от воздействий окружающей среды,

Несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений,

Через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена,

В клеточной стенке локализован О-антиген и с ней связан эндотоксин (липид А) бактерий.

Цитоплазматическая мембрана

К клеточной стенке бактерий примыкает цитоплазматическая мембрана , строение которой аналогично мембранам эукариотов (состоит из двойного слоя липидов , главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками ). Она обеспечивает :

Селективную проницаемость и транспорт растворимых веществ в клетку,

Транспорт электронов и окислительное фосфорилирование,

Выделение гидролитических экзоферментов, биосинтез различных полимеров.

Цитоплазматическая мембрана ограничивает цитоплазму бактерий , которая представляет собой гранулярную структуру . В цитоплазме локализованы рибосомы и бактериальный нуклеоид , в ней также могут находиться включения и плазмиды (внехромосомная ДНК). Кроме обязательных структур бактериальные клетки могут иметь споры.

Цитоплазма - внутреннее гелеобразное содержимое бактериальной клетки, пронизано мембранными структурами, создающими жест­кую систему. В цитоплазме содержатся рибосомы (в которых осуще­ствляется биосинтез белков), ферменты, аминокислоты, белки, рибонуклеиновые кислоты.

Нуклеоид - это хромосома бактерий, двойная нить ДНК, коль­цевидно замкнутая, связанная с мезосомой. В отличие от ядра эукариотов, нить ДНК свободно располагается в цитоплазме, не имеет ядерной оболочки, ядрышка, белков-гистонов. Нить ДНК во много раз длиннее самой бактерии (например, у кишечной палочки длина хро­мосомы более 1 мм).

Помимо нуклеоида, в цитоплазме могут находиться внехромосомные факторы наследственности, называемые плазмидами. Это ко­роткие кольцевидные нити ДНК, прикрепленные к мезосомам.

Включения содержатся в цитоплазме некоторых бактерий в виде зерен, которые можно обнаружить при микроскопии. Большей частью это запас питательных веществ.

Пили (лат. pili - волоски) иначе реснички, фимбрии, бахромки, вор­синки - короткие нитевидные отростки на поверхности бактерий.

Жгутики. Многие виды бактерий способны передвигаться благо­даря наличию жгутиков. Из патогенных бактерий только среди пало­чек и извитых форм имеются подвижные виды. Жгутики представляют собой тонкие эластичные нити, длина которых у некоторых видов в несколько раз больше длины тела самой бактерии.

Число и располо­жение жгутиков является характерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи - с одним жгутиком на конце тела, лофотрихи - с пучком жгутиков на конце, амфитрихи, имеющие жгути­ки на обоих концах, и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. К монотрихам относится холерный вибрион, к перитрихам - сальмонеллы брюшного тифа.

Капсула - наружный слизистый слой, который имеется у многих бактерий. У одних видов он настолько тонок, что обнаруживается толь­ко в электронном микроскопе - это микрокапсула. У других видов бак­терий капсула хорошо выражена и видна в обычном оптическом мик­роскопе - это макрокапсула.

Микоплазмы

Микоплазмы относятся к прокариотам, размеры их 125-200 нм. Это наиболее мелкие из клеточных микробов, величина их близка к преде­лу разрешающей способности оптического микроскопа. У них отсут­ствует клеточная стенка. С отсутствием клеточной стенки связаны характерные осо­бенности микоплазм. Они не имеют постоянной формы, поэтому встре­чаются сферические, овальные, нитевидные формы.

Риккетсии

Хламидии

Актиномицеты

Актиномицеты - одноклеточные микроорганизмы, относятся к прокариотам. Их клетки имеют такую же структуру, как бактерии: кле­точную стенку, содержащую пептидогликан, цитоплазматическую мем­брану; в цитоплазме расположены нуклеоид, рибосомы, мезосомы, внутриклеточные включения. Поэтому патогенные актиномицеты чувс­твительны к антибактериальным препаратам. В то же время они име­ют сходную с грибами форму ветвящихся переплетающихся нитей, а некоторые актиномицеты, относящиеся к семейству стрентомицет, раз­множаются спорами. Другие семейства актиномицет размножаются путем фрагментации, то есть распада нитей на отдельные фрагменты.

Актиномицеты широко распространены в окружающей среде, осо­бенно в почве, участвуют в круговороте веществ в природе. Среди актиномицетов есть продуценты антибиотиков, витаминов, гормонов. Большинство антибиотиков, применяемых в настоящее время, проду­цируется актиномицетами. Это стрептомицин, тетрациклин и другие.

Спирохеты.

Спирохеты относятся к прокариотам. Имеют признаки, общие как с бактериями, так и с простейшими микроорганизмами. Это од­ноклеточные микробы, имеющие форму длинных тонких спирально изогнутых клеток, способны к активному движению. В неблагоприят­ных условиях некоторые из них могут переходить в форму цисты.

Исследования в электронном микроскопе позволили установить структуру клеток спирохет. Это цитоплазматические цилиндры, окру­женные цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой, содер­жащей пептидогликан. В цитоплазме находятся нуклеоид, рибосомы, мезосомы, включения.

Под цитоплазматической мембраной располо­жены фибриллы, обеспечивающие разнообразное движение спирохет - поступательное, вращательное, сгибательное.

Патогенные представители спирохет: Treponema pallidum - вызывает сифилис, Borrelia recurrentis - возвратный тиф, Borrelia burgdorferi - болезнь Лайма, Leptospira interrogans - лептоспироз.

Грибы

Грибы (Fungi, Mycetes) - эукариоты, низшие растения, лишенные хлорофилла, в связи с чем они не синтезируют органические соедине­ния углерода, то есть это гетеротрофы, имеют дифференцированное ядро, покрыты оболочкой, содержащей хитин. В отличие от бактерий, грибы не имеют в составе оболочки пептидогликана, поэтому нечув­ствительны к пенициллинам. Для цитоплазмы грибов характерно при­сутствие большого количества разнообразных включений и вакуолей.

Среди микроскопических грибов (микромицетов) имеются однок­леточные и многоклеточные микроорганизмы, различающиеся между собой по морфологии и способам размножения. Для грибов характер­но разнообразие способов размножения: деление, фрагментация, поч­кование, образование спор - бесполых и половых.

При микробиологических исследованиях наиболее часто прихо­диться сталкиваться с плесенями, дрожжами и представителями сбор­ной группы так называемых несовершенных грибов.

Плесени образуют типичный мицелий, стелющийся по питатель­ному субстрату. От мицелия вверх подымаются воздушные ветви, ко­торые оканчиваются плодоносящими телами различной формы, несущими споры.

Мукоровые или головчатые плесени (Mucor) - одноклеточные гри­бы с шаровидным плодоносящим телом, наполненным эндоспорами.

Плесени рода Aspergillus - многоклеточные грибы с плодоносящим телом, при микроскопии напоминающим наконечник лейки, разбрыз­гивающей струйки воды; отсюда название "леечная плесень". Некото­рые виды аспергилл используются в промышленности для производства лимонной кислоты и других веществ. Есть виды, вызывающие заболе­вания кожи и легких у человека - аспергиллезы.

Плесени рода Penicillum, или кистевики - многоклеточные грибы с плодоносящим телом в виде кисточки. Из некоторых видов зеленой плесени был получен первый антибиотик - пенициллин. Среди пенициллов есть патогенные для человека виды, вызывающие пенициллиоз.

Различные виды плесеней могут быть причиной порчи пищевых про­дуктов, медикаментов, биологических препаратов.

Дрожжи - дрожжевые грибы (Saccharomycetes, Blastomycetes) име­ют форму круглых или овальных клеток, во много раз крупнее бакте­рий. Средний размер дрожжевых клеток приблизительно равен попе­речнику эритроцита (7-10 мкм).

Вирусы

Вирусы - (лат. virus яд) - мельчайшие микроорганизмы, не имеющие клеточного строения, белоксинтезирующей системы и способные к воспроизведению лишь в клетках высокоорганизованных форм жизни. Они широко распространены в природе, поражают животных, растения и другие микроорганизмы.

Зрелая вирусная частица, известная как вирион, состоит из нуклеиновой кислоты - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет информацию о нескольких типах белков, необходимых для образования нового вируса - покрытой защитной белковой оболочкой - капсидом. Капсид складывается из одинаковых белковых субъединиц, называемыхкапсомерами . Вирусы могут также иметь липидную оболочку поверх капсида (суперкапсид ), образованную из мембраны клетки-хозяина. Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом, а его форма лежит в основе классификации вирусов по морфологическому признаку . Сложноорганизованные вирусы, кроме того, кодируют специальные белки, помогающие в сборке капсида. Комплексы белков и нуклеиновых кислот известны как нуклеопротеины , а комплекс белков вирусного капсида с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом .

Рис. 1.4. Схематичное строение вируса: 1 - сердцевина (однонитчатая РНК); 2 - белковая оболочка (Капсид); 3 - дополнительная липопротеидная оболочка; 4 - Капсомеры (структурные части Капсида).

Физиология микроорганизмов

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.

Метаболизм

Метаболизм – совокупность биохимических процессов, направленных на получение энергии и воспроизведение клеточного материала.

Особенности метаболизма у бактерий:

1) многообразие используемых субстратов;

2) интенсивность процессов метаболизма;

4) преобладание процессов распада над процессами синтеза;

5) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.

Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (энергетический метаболизм) – это процесс расщепления крупных молекул до более простых, в результате которого выделяется энергия, накапливающаяся в форме АТФ:

а) дыхание;

б) брожение.

Анаболизм (конструктивный метаболизм) – обеспечивает синтез макромолекул, из которых строится клетка:

а) анаболизм (с затратами энергии);

б) катаболизм (с выделением энергии);

При этом используется энергия, полученная в процессе катаболизма. Для метаболизма бактерий характерны высокая скорость процесса и быстрая адаптация к меняющимся условиям окружающей среды.

В микробной клетке ферменты являются биологическими катализаторами. По строению выделяют:

1) простые ферменты (белки);

2) сложные; состоят из белковой (активного центра) и небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.

По месту действия выделяют:

1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий);

2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ).

В зависимости от катализируемых химических реакций все ферменты делят на шесть классов:

1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами);

2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп);

3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей);

4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а также осуществляют обратные реакции);

5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров);

6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).

Питание

Под питанием понимают процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и метаболизм клетки.

Различные органические и неорганические вещества поступают в бактериальную клетку в процессе питания. Специальных органов питания у бактерий нет. Вещества проникают через всю поверхность клетки, в виде мелких молекул. Такой способ питания называется голофитным . Необходимым условием для прохождения питательных веществ в клетку является их растворимость в воде и малая величина (т.е. белки должны быть гидролизованы до аминокислот, углеводы – до ди- или моносахаридов и т. д.).

Основным регулятором поступления веществ в бактериальную клетку является цитоплазматическая мембрана. Существует четыре основных механизма поступления веществ:

-пассивная диффузия - по градиенту концентрации, энергонезатратная, не имеющая субстратной специфичности;

- облегченная диффузия - по градиенту концентрации, субстратспецифичная, энергонезатратная, осуществляется при участии специализированных белков пермеаз ;

- активный транспорт- против градиента концентрации, субстратспецифичен (специальные связывающие белки в комплексе с пермеазами), энергозатратный (за счет АТФ), вещества поступают в клетку в химически неизмененном виде;

- транслокация (перенос групп) - против градиента концентрации, с помощью фосфотрансферазной системы, энергозатратна, вещества (преимущественно сахара) поступают в клетку в форфорилированном виде.

Основные химические элементы- органогены , необходимые для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород, кислород.

Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразные типы питания. Микробы нуждаются в углероде, кислороде, азоте, водороде, сере, фосфоре и других элементах (органогенах).

В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на:

1) аутотрофы (используют неорганические вещества – СО2);

2) гетеротрофы;

3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);

4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).

Процессы питания должны обеспечивать энергетические потребности бактериальной клетки.

По источникам энергии микроорганизмы делят на:

1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);

2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);

3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);

4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).

Среди бактерий выделяют:

1) прототрофы (способны сами синтезировать необходимые вещества из низкоорганизованных);

2) ауксотрофы (являются мутантами прототрофов, потерявшими гены; ответственны за синтез некоторых веществ – витаминов, аминокислот, поэтому нуждаются в этих веществах в готовом виде).

Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить источниками питания только после расщепления их экзоферментами до более простых соединений.

Дыхание микроорганизмов.

Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О 2), при анаэробном- связанный кислород (-NO 3 , =SO 4 , =SO 3).

Аэробное дыхание донор водорода H 2 O

Анаэробное дыхание

Нитратное окисление NO 3

(факультативные анаэробы) донор водорода N 2

Сульфатное окисление SO 4

(облигатные анаэробы) донор водорода H 2 S

По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.

1.Облигатные (строгие) аэробы . Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.

2.Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO 2 , например до 10- процентной концентрации.

3.Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода - т.е. аэротолерантные,

а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.

4.Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.

Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).

В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H 2 O 2 - перекись водорода, -О 2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза . У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH 2).

Рост и размножение бактерий

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы, и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия. Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам. Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки. Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Питательные среды

Для культивирования бактерий используют питательные среды, к которым предъявляется ряд требований.

1. Питательность. Бактерии должны содержать все необходимые питательные вещества.

2. Изотоничность. Бактерии должны содержать набор солей для поддержания осмотического давления, определенную концентрацию хлорида натрия.

3. Оптимальный рН (кислотность) среды. Кислотность среды обеспечивает функционирование ферментов бактерий; для большинства бактерий составляет 7,2–7,6.

4. Оптимальный электронный потенциал, свидетельствующий о содержании в среде растворенного кислорода. Он должен быть высоким для аэробов и низким для анаэробов.

5. Прозрачность (наблюдался рост бактерий, особенно для жидких сред).

6. Стерильность (отсутствие других бактерий).

Классификация питательных сред

1. По происхождению:

1) естественные (молоко, желатин, картофель и др.);

2) искусственные – среды, приготовленные из специально подготовленных природных компонентов (пептона, аминопептида, дрожжевого экстракта и т. п.);

3) синтетические – среды известного состава, приготовленные из химически чистых неорганических и органических соединений (солей, аминокислот, углеводов и т. д.).

2. По составу:

1) простые – мясопептонный агар, мясопептонный бульон, агар Хоттингера и др.;

2) сложные – это простые с добавлением дополнительного питательного компонента (кровяного, шоколадного агара): сахарный бульон,

желчный бульон, сывороточный агар, желточно-солевой агар, среда Китта-Тароцци, среда Вильсона-Блера и др.

3. По консистенции:

1) твердые (содержат 3–5 % агар-агара);

2) полужидкие (0,15-0,7 % агар-агара);

3) жидкие (не содержат агар-агара).

Агар- полисахарид сложного состава из морских водорослей, основной отвердитель для плотных (твердых) сред.

4. В зависимости от назначения ПС различают:

Дифференциально-диагностические

Элективные

Селективные

Ингибиторные

Среды для поддержания культуры

Накопительные (насыщения, обогащения)

Консервирующие

Контрольные.

Дифференциально-диагностические - это сложные среды, на кото­рых микроорганизмы разных видов растут по-разному, в зависимости от биохимических свойств культуры. Они предназначены для иденти­фикации видовой принадлежности микроорганизмов, широко исполь­зуются в клинической бактериологии и проведении генетических ис­следований.

Селективные, ингибиторные и элективные ПС предназначены для выращивания строго определенного вида микроорганизма. Эти среды служат для выделения бактерий из смешанных популяций и диффе­ренцирования их от сходных видов. В их состав добавляют различные вещества, подавляющие рост одних видов и не влияющие на рост дру­гих.

Среду можно сделать селективной за счет величины рН. В последнее время в качестве веществ, придающих средам селективный характер, применяют антимикробные агенты, такие как антибиотики и другие химиотерапевтические вещества.

Элективные ПС нашли широкое применение при выделении возбу­дителей кишечных инфекций. При добавлении малахитовой или брил­лиантовой зелени, солей желчных кислот (в частности, таурохолево-кислого натрия), значительного количества хлорида натрия или ли­моннокислых солей подавляется рост кишечной палочки, но рост па­тогенных бактерий кишечной группы не ухудшается. Некоторые элек­тивные среды готовят с добавлением антибиотиков.

Среды для поддержания культуры составляют так, чтобы в них не было селективных веществ, способных вызывать изменчивость куль­тур.

Накопительные ПС (обогащения, насыщения) - это среды, на кото­рых определенные виды культур или группы культур растут быстрее и интенсивнее сопутствующих. При культивировании на этих средах обычно не применяются ингибиторные вещества, а, наоборот, создают благоприятные условия для определенного присутствующего в смеси вида. Основой сред накопления являются желчь и ее соли, тетратионат натрия, различные красители, селенитовые соли, антибиотики и др.

Консервирующие среды служат для первичного посева и транспор­тировки исследуемого материала.

Выделяют также контрольные ПС, которые применяют для контро­ля стерильности и общей бактериальной обсемененности антибиоти­ков.

5. По набору питательных веществ выделяют:

Минимальные среды, которые содержат лишь источники питания, достаточные для роста;

Богатые среды, в состав которых входят многие дополнительные вещества.

6. По масштабам использования ПС подразделяются на:

> производственные (технологические);

> среды для научных исследований с ограниченным по объему применением.

Производственные ПС должны быть доступными, экономичными, удобными в приготовлении и использовании для крупномасштабного культивирования. Среды для научных исследований, как правило, бы­вают синтетическими и богатыми по набору питательных веществ.

Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред

Качество ПС во многом определяется полноценностью состава пи­тательных субстратов и исходного сырья, используемого для их при­готовления. Большое разнообразие видов сырьевых источников ставит сложную задачу выбора наиболее перспективных, пригодных для кон­струирования ПС требуемого качества. Определяющую роль в данном вопросе играют, прежде всего, биохимические показатели состава сы­рья, от которых зависит выбор способа и режимов его переработки с целью наиболее полного и эффективного использования содержащих­ся в нем питательных веществ.

Для получения ПС с особо ценными свойствами применяют прежде всего традиционные источники белка животного происхождения, а именно мясо крупного рогатого скота (КРС), казеин, рыбу и продукты ее переработки. Наиболее полно разработаны и широко применяются ПС на основе мяса КРС.

Учитывая дефицит кильки каспийской, широко применяемой в не­далеком прошлом, для получения рыбных питательных основ стала использоваться более дешевая и доступная непищевая продукция рыб­ной промышленности - сухой криль, отходы переработки мяса криля, филетированный минтай и его перезрелую икру. Наибольшее же рас­пространение получила рыбная кормовая мука (РКМ), удовлетворяю­щая требованиям биологической ценности, доступности и относитель­ной стандартности.

Довольно широкое распространение получили ПС на основе казеи­на, который содержит все компоненты, имеющиеся в молоке: жир, лак­тозу, витамины, ферменты и соли. Однако необходимо отметить, что в связи с удорожанием продуктов переработки молока, а также повыше­нием спроса на казеин на мировом рынке, применение его носит не­сколько ограниченный характер.

Из непищевых источников белка животного происхождения в каче­стве сырья для конструирования полноценных ПС необходимо выде­лить кровь убойных животных, которая богата биологически активны­ми веществами и микроэлементами и содержит продукты клеточного и тканевого обмена.

Гидролизаты крови сельскохозяйст­венных животных используются в качестве заменителей пептона в дифференциально-диагностических питательных средах.

К другим видам белоксодержащего сырья животного происхожде­ния, которые могут быть использованы для конструирования ПС, от­носятся: плацента и селезенка КРС, сухой белковый концентрат - про­дукт переработки мясных отходов, спилковая обрезь, получаемая при обработке кожи, эмбрионы домашних птиц - отход вакцинного произ­водства, кровезаменители с истекшим сроком годности, творожная сыворотка, мягкие ткани моллюсков и ластоногих.

Перспективно использование тушек пушных зверей из зверохозяйств, крови КРС, получаемой на мясокомбинате, обезжиренного молока и молочной сыворотки (отходы маслозаводов).

В целом же ПС, приготовленные из сырья животного происхожде­ния, имеют высокое содержание основных питательных компонентов, являются полноценными и сбалансированными по аминокислотному составу и достаточно хорошо изучены.

Из продуктов растительного происхождения в качестве белкового субстрата для ПС возможно использование кукурузы, сои, гороха, кар­тофеля, люпина и др. Однако, растительное сельскохозяйственное сы­рье содержит белок, несбалансированный состав которого зависит от условий выращивания культур, а также липиды в больших количест­вах, чем продукты животного происхождения.

Обширную группу составляют ПС, изготавливаемые из белкового сырья микробного происхождения (дрожжи, бактерии и т.д.). Амино­кислотный состав микроорганизмов, служащих субстратом для приготовления ПС, хорошо изучен, а биомасса используемых микроорга­низмов является полноценной по составу питательных веществ и ха­рактеризуется повышенным содержанием лизина и треонина.

Разработан целый ряд ПС комбинированного состава из белковых субстратов различного происхождения. К ним относятся дрожжевая казеиновая питательная среда, дрожжевая мясная и т.д. Основой большинства известных ПС являются гидролизаты казеи­на, мяса КРС и рыбы (до 80%).

Удельный же вес непищевого сырья в технологии конструирования ПС составляет всего 15% и в дальней­шем требует увеличения.

Используемое для получения питательной основы (ПС) непищевое сырье должно удовлетворять определенным требованиям, а именно быть:

^ полноценным (количественный и качественный состав сырья должен, в основном, удовлетворять питательным потребностям микро­организмов и клеток, для которых разрабатываются ПС);

^ доступным (иметь достаточно обширную сырьевую базу);

^ технологичным (затраты на внедрение в производство должны осуществляться с использованием имеющегося оборудования или су­ществующей технологии);

^ экономичным (затраты на внедрение технологии при переходе на новое сырье и его переработку не должны превосходить нормы за­трат для получения целевого продукта);

^ стандартным (иметь длительные сроки хранения без изменения физико-химических свойств и питательной ценности)

Периодическая система

Периодической системой культивирования называют систему, в которой после внесения бактерий (засева) в питательную среду не производится ни добавления, ни удаления каких-либо компонентов, кроме газовой фазы. Отсюда следует, что периодическая система может поддерживать размножение клеток в течение ограниченного времени, на протяжении которого состав питательной среды изменяется от благоприятного (оптимального) для их роста до неблагоприятного, вплоть до полного прекращения п

Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

История применения микроорганизмов

Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти.древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду технологиях.

Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц «из моечных вод, остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли некоторые надежды и в значительной степени определили области применения микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов.

Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки - это полимеры. Однако на сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального назначения.

Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.

Современные сферы применения

Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.

1 группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.

2 группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.

3 группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.

Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бесклеточная биотехнология.

Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.

Другие сферы применения

В медицине

Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК.

В нефтедобыче:

В последние годы получают развитие методы увеличения нефтеотдачи с применением микроорганизмов. Их перспектива связана, в первую очередь, с простотой реализации, минимальной капиталоемкостью и экологической безопасностью. В 1940 - х годах во многих нефтедобывающих странах были начаты исследования по применению микроорганизмов для интенсификации притока в добывающих скважинах и восстановления приемистости нагнетательных скважин.

В пищевой и хим. промышленности:

К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов.



Одним из многочисленных царств животных являются бактерии. В этой статье мы расскажем о роли бактерий в природе и жизни человека, познакомим с болезнетворными представителями этого царства.

Бактерии в природе

Данные живые организмы одними из первых появились на нашей планете. Распространены они повсеместно. Бактерии обитают на дне водоёмов, в почве, могут выдерживать как низкие, так и высокие температуры.

Значение этих организмов в природе неоспоримо. Именно бактерии обеспечивают круговорот веществ в природе, который является основополагающим жизни на Земле. Органические соединения под их воздействием изменяются и распадаются на неорганические вещества.

Почвообразовательные процессы обеспечивают почвенные микроорганизмы. Остатки растений и животных распадаются и преобразуются на гумус и перегной только благодаря бактериям.

В водной среде представителей данного царства используют для очищения водоёмов, а также сточных вод. Благодаря своей жизнедеятельности бактерии из опасных органических веществ делают безопасные неорганические.

Рис. 1. Роль бактерий в природе.

Болезнетворные микроорганизмы

Однако есть бактерии, которые приносят вред другим живым организмам. Болезнетворные микроорганизмы могут вызывать заболевания у растений, животных и человека. Например:

• Сальмонелла вызывает брюшной тиф;
• Шигелла - дизентерию;
• Клостридиум - столбняк и гангрену;
• Туберкулёзная палочка - туберкулёз
• Стафилококки и стрептококки – гноение и т.д.

Пути передачи могут быть разнообразны:

• при чихании, разговоре, кашле от больного человека;
• при физическом контакте;
• при помощи переносчиков (насекомых, грызунов);
• через проникновение в раны.

Многие болезни заканчиваются летальным исходом, из-за своей способности приспосабливаться к лекарствам, бактерии не так просто уничтожить. Современная наука активно борется с болезнетворными микроорганизмами, выпуская новые лекарственные препараты.

Рис. 2. Болезнетворные микрорганизмы.

Изучение физиологии бактерий основал Луи Пастер ещё в 1850-х годах. Его исследования продолжили М. В. Бейеринк и С. Н. Виноградский, которые исследовали значение микроорганизмов в природе.

Использование бактерий

Человечество научилось использовать бактерии себе во благо, например:

• при производстве лекарственных средств;

Существуют специальные виды бактерий, которые способны вырабатывать сильнейшие антибиотики, такие как тетрациклин и стрептомицин. Своим воздействием они убивают многие болезнетворные микроорганизмы.

• приготовление новых продуктов питания;
• выпуск органических веществ;
• получение кисломолочной продукции (йогурты, закваски, кефиры, ряженки);
• изготовление различных сортов сыров;
• виноделие;
• маринование и закваска овощей.

Рис. 3. Использование бактерий человеком.

Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Теперь они помогают человеку. Бактерии и человек стали неразлучны. Суммарная масса бактерий огромна. Она составляет около 500 миллиардов тонн.

Полезные бактерии выполняют две самые важные экологические функции — они фиксируют азот и участвуют в минерализации органических остатков. Роль бактерий в природе носит глобальный характер. Они участвуют в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов в биосфере земли.

Велико значение бактерий, полезных для человека. Они составляют 99% всей популяции, которые заселяют его организм. Благодаря им человек живет, дышит и питается.

Важна . Они полностью обеспечивают его жизнедеятельность.

Бактерии довольно просто устроены. Ученые предполагают, что они первыми появились на планете Земля.

Полезные бактерии в организме человека

Человеческий организм населяют и полезные и . Существующий баланс между организмом человека и бактериями отшлифовывался веками.

Как подсчитали ученые, в организме человека содержится от 500 до 1000 всевозможных видов бактерий или триллионы этих удивительных жильцов, что составляет до 4-х кг совокупного веса. До 3-х килограмм микробных тел находится только в кишечнике. Остальная их часть находится в мочеполовых путях, на коже и других полостях человеческого тела. Микробы заполняют организм новорожденного уже с первых минут его жизни и окончательно формируют состав кишечной микрофлоры к 10-13 годам.

В кишечнике обитают стрептококки, лактобактерии, бифидобактерии, энтеробактерии, грибы, кишечные вирусы, непатогенные простейшие. Лактобактерии и бифидобактерии составляют 60% кишечной флоры. Состав этой группы всегда постоянный, они самые многочисленные и осуществляющие основные функции.

Бифидобактерии

Значение бактерий этого вида огромно.

• Благодаря им вырабатываются ацетат и молочная кислота. Закисляя среду обитания, они подавляют рост , вызывающих гниение и брожение.
• Благодаря бифидобактериям снижается риск развития аллергии к пищевым продуктам у малышей.
• Они обеспечивают антиоксидантный и противоопухолевый эффект.
• Бифидобактерии принимают участие в синтезе витамина С.
• Бифидо- и лактобактерии принимают участие в процессах по усвоению витамина Д, кальция и железа.

Рис. 1. На фото бифидобактерии. Компьютерная визуализация.

Кишечная палочка

Значение бактерий этого вида для человека большое.

• Особое значение уделяется представителю этого рода Escherichia coli M17. Она способна вырабатывать вещество коцилин, которое угнетает рост целого ряда болезнетворных микробов.
• При участии синтезируются витамины К, группы В (В1, В2, В5, В6, В7, В9 и В12), фолиевая и никотиновая кислоты.

Рис. 2. На фото кишечная палочка (трехмерное компьютерное изображение).

Положительная роль бактерий в жизни человека

• При участии бифидо-, лакто-, и энтеробактерий синтезируются витамины К, С, группы В (В1, В2, В5, В6, В7, В9 и В12), фолиевая и никотиновая кислоты.
• Благодаря расщепляются непереваренные компоненты пищи из верхних отделов кишечника – крахмал, целлюлоза, белковые и жировые фракции.
• Кишечная микрофлора поддерживает водно-солевой обмен и ионный гомеостаз.
• Благодаря секреции особых веществ микрофлора кишечника подавляет рост патогенных бактерий, вызывающих гниение и брожение.
• Бифидо-, лакто-, и энтеробактерии принимает участие в детоксикации веществ, попадающих извне и образующихся внутри самого организма.
• Кишечная микрофлора играет большую роль в восстановлении местного иммунитета. Благодаря ей увеличивается количество лимфоцитов, активность фагоцитов и выработка иммуноглобулина А.
• Благодаря кишечной микрофлоре стимулируется развитие лимфоидного аппарата.
• Повышается устойчивость эпителия кишечника к канцерогенам.
• Микрофлора защищают слизистую стенку кишечника и обеспечивает энергией кишечный эпителий.
• Они регулируют перистальтику кишечника.
• Кишечная флора приобретает навыки по захвату и выводу вирусов из организма хозяина, с которым долгие годы она находилась в симбиозе.
• Велико значение бактерий в поддержке теплового баланса организма. Кишечная микрофлора питается за счет веществ, непереваренных ферментативной системой, которые поступают из верхних отделов желудочно-кишечного тракта. В результате сложных биохимических реакций вырабатывается огромное количество тепловой энергии. Тепло с током крови разносится по всему организму и поступает во все внутренние органы. Вот почему при голодании человек всегда мерзнет.
• Кишечная микрофлора регулирует обратное всасывание компонентов желчных кислот (холестерина), гормонов и др.

Рис. 3. На фото полезные бактерии — лактобактерии (трехмерное компьютерное изображение).

Роль бактерий в производстве азота

Аммонифицирующие микробы (вызывающие гниение) с помощью ряда имеющихся у них ферментов способны разлагать останки погибших животных и растений. При разложении белков выделяются азот и аммиак.

Уробактерии разлагают мочевину, которую человек и все животные планеты выделяют ежесуточно. Ее количество огромно и достигает 50 млн. тонн в год.

Определенный вид бактерий участвует в окислении аммиака. Этот процесс называется нитрофикацией.

Денитрифицирующие микробы возвращают молекулярный кислород из почвы в атмосферу.

Рис. 4. На фото полезные бактерии — аммонифицирующие микробы. Они подвергают останки погибших животных и растений разложению.

Роль бактерий в природе: фиксация азота

Значение бактерий в жизнедеятельности человека, животных, растений, грибов и бактерий огромно. Как известно, для нормального их существования необходим азот. Но усваивать азот в газообразном состоянии бактерии не могут. Оказывается, связывать азот и образовывать аммиак умеют сине-зеленые водоросли (Цианобактерии ), свободноживущие азотофиксаторы и особые . Все эти полезные бактерии производят до 90% связанного азота и вовлекают до 180 млн. т. азота в азотный фонд почвы.

Клубеньковые бактерии прекрасно сожительствуют с бобовыми растениями и облепихой.

Такие растения, как люцерна, горох, люпин и другие бобовые имеют на своих корнях так называемые «квартиры» для клубеньковых бактерий. Эти растения высаживаются на истощенные почвы для обогащения их азотом.

Рис. 5. На фото клубеньковые бактерии на поверхности корневого волоска бобового растения.

Рис. 6. Фото корня бобового растения.

Рис. 7. На фото полезные бактерии — цианобактерии.

Роль бактерий в природе: круговорот углерода

Углерод является важнейшим клеточным веществом животного и растительного мира, а так же мира растений. Он составляет 50% сухого остатка вещества клетки.

Много углерода содержится в клетчатке, которой питаются животные. В их желудке клетчатка под действием микробов разлагается и далее, в виде навоза, попадает наружу.

Разлагают клетчатку целлюлозные бактерии . В результате их работы почва обогащается гумусом, что значительно повышает ее плодородие, а углекислота возвращается в атмосферу.

Рис. 8. Зеленым цветом окрашены внутриклеточные симбионты, желтым – масса перерабатываемой древесины.

Роль бактерий в превращении фосфора, железа и серы

В белках и липидах содержится большое количество фосфора, минерализация которого осуществляется Вас. megatherium (из рода гнилостных бактерий).

Железобактерии участвуют в процессах минерализации органических соединений, содержащих железо. В результате их деятельности в болотах и озерах образуется большое количество железной руды и железомарганцевых отложений.

Серобактерии живут в воде и почве. Их много в навозе. Они участвуют в процессе минерализации серосодержащих веществ органического происхождения. В процессе разложения органических серосодержащих веществ выделяется газ сероводород, который крайне ядовит для окружающей среды, в том числе для всего живого. Серобактерии в результате своей жизнедеятельности превращают этот газ в неактивное безвредное соединение.

Рис. 9. Несмотря на кажущуюся безжизненность, в реке Рио Тинто жизнь всё-таки есть. Это различные, окисляющие железо, бактерии и множество других их видов, которые можно встретить только в этом месте.

Рис. 10. Зелёные серобактерии в колонне Виноградского.

Роль бактерий в природе: минерализация органических остатков

Бактерии, принимающие активное участие в минерализации органических соединений, считаются чистильщиками (санитарами) планеты Земля. С их помощью органические вещества погибших растений и животных превращаются в перегной, который почвенные микроорганизмы превращают в минеральные соли, так необходимые для построения корневой, стеблевой и листовой систем растений.

Рис. 11. Минерализация органических веществ, поступающих в водоем, происходит в результате биохимического окисления.

Роль бактерий в природе: брожение пектиновых веществ

Клетки растительных организмов связываются друг с другом (цементируются) специальным веществом, которое называется пектин. Некоторые виды маслянокислых бактерий обладают способностью сбраживать это вещество, которое при нагревании превращая в студенистую массу (пектис). Эта особенность используется при замачивании растений, содержащих много волокон (лен, конопля).

Рис. 12. Существует несколько способов получения тресты. Самым распространённым является биологический способ, при котором связь волокнистой части с окружающими тканями разрушается под влиянием микроорганизмов. Процесс брожения пектиновых веществ лубяных растений называется мочкой, а вымоченная солома — трестой.

Роль бактерий в очистке воды

Бактерии, очищающие воду , стабилизируют уровень ее кислотности. С их помощью сокращаются донные отложения, улучшается здоровье рыб и растений, живущих в воде.

Недавно группой ученых из разных стран были обнаружены бактерии, которые разрушают детергенты, входящие в состав синтетических моющих средств и некоторые лекарственные препараты.

Рис. 13. Широко применяется деятельность ксенобактерий для очистки почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами.

Рис. 14. Пластиковые купола, очищающие воду. В них содержатся гетеротрофные бактерии, питаюшиеся углеродосодержащими материалами, и автотрофные бактерии, питаюшиеся аммиак- и азотсодержащие материалами. Система трубок поддерживает их жизнеобеспечение.

Использование бактерий при обогащении руд

Способность тионовых сероокисляющих бактерий используется для обогащения медных и урановых руд.

Рис. 15. На фото полезные бактерии — Тиобациллы и Acidithiobacillus ferrooxidans (электронная микрофотография). Они способны извлекать ионы меди для выщелачивания отходов, которые образуются при флотационном обогащении сульфидных руд.

Роль бактерий в маслянокислом брожении

Маслянокислые микробы находятся повсюду. Насчитывается более 25-и видов этих микробов. Они принимают участие в процессе разложения белков, жиров и углеводов.

Маслянокислое брожение вызывают анаэробные спорообразующие бактерии, относящиеся к роду клостридиум. Они способны сбраживать различные сахара, спирты, органические кислоты, крахмал, клетчатку.

Рис. 16. На фото маслянокислые микроорганизмы (компьютерная визуализация).

Роль бактерий в жизни животных

Множество видов животного мира питается растениями, основу которых составляет клетчатка. Переваривать клетчатку (целлюлозу) животным помогают особые микробы, местом пребывания которых являются определенные отделы желудочно-кишечного тракта.

Значение бактерий в животноводстве

Жизнедеятельность животных сопровождается выделением огромного количества навоза. Из него некоторые микроорганизмы могут производить метан («болотный газ»), который используется, как топливо и сырье в органическом синтезе.

Рис. 17. Газ метан как топливо для автомобилей.

Использование бактерий в пищевой промышленности

Роль бактерий в жизни человека огромна. Широко применяются в пищевой промышленности молочнокислые бактерии:

• при производстве простокваши, сыров, сметаны и кефира;
• при сквашивании капусты и засолке огурцов, принимают участие в мочении яблок и мариновании овощей;
• они придают особый аромат винам;
• вырабатывают молочную кислоту, сквашивающую молоко. Это свойство используется для производства простокваши и сметаны;
• при приготовлении сыров и йогуртов в промышленных масштабах;
• в процессе засаливания молочная кислота служит консервантом.

К молочнокислым бактериям относятся молочные стрептококки, сливочные стрептококки, палочки болгарская, ацидофильная, зерновая термофильная и огуречная . Бактерии рода стрептококков и лактобацилл придают продуктам более густую консистенцию. В результате их жизнедеятельности улучшается качество сыров. Именно они придают сыру определенный сырный аромат.

Рис. 18. На фото полезные бактерии — лактобактерии (розовый цвет), болгарская палочка и термофильный стрептококк.

Рис. 19. На фото полезные бактерии — кефирный (тибетский или молочный) гриб и молочнокислые палочки перед непосредственным внесением в молоко.

Рис. 20. Кисломолочная продукция.

Рис. 21. Термофильные стрептококки (Streptococcus thermophilus) применяются при приготовлении сыра моцарелла.

Рис. 22. Вариантов плесневого пенициллина множество. Бархатистая корочка, зеленоватые прожилки, неповторимый вкус и лекарственно-аммиачный аромат сыров уникален. Грибной вкус сыров зависит от места и длительности созревания.

Рис. 23. Бифилиз – биопрепарат для приема внутрь, содержащий массу живых бифидобактерий и лизоцим.

Использование дрожжей и грибов в пищевой промышленности

В пищевой промышленности используются преимущественно вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Они осуществляют спиртовое брожение, из-за чего широко применяются в хлебопекарном деле. Спирт при выпечке испаряется, а пузырьки углекислого газа формируют хлебный мякиш.

С 1910 года дрожжи стали добавлять в колбасы. Дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae применяются для производства вин, пива и кваса.

Рис. 24. Чайный гриб – это дружеский симбиоз уксусной палочки и дрожжевых грибков. Он появился в наших краях еще в прошлом веке.

Рис. 25. Дрожжи сухие и мокрые широко используются в хлебопекарной промышленности.

Рис. 26. Вид клеток дрожжей Saccharomyces cerevisiae под микроскопом и Saccharomyces cerevisiae — «настоящие» винные дрожжи.

Роль бактерий в жизни человека: уксуснокислое окисление

Еще Пастер доказал, что в уксуснокислом окислении принимают участие особые микроорганизмы — уксусные палочки , которые широко встречаются в природе. Они поселяются на растения, проникают в созревшие овощи и фрукты. Их много в квашеных овощах и фруктах, вине, пиве и квасе.

Способность уксусных палочек окислять этиловый спирт до уксусной кислоты используется сегодня для получения уксуса, применяемого в пищевых целях и при заготовке кормов для животных — силосовании (консервировании).

Рис. 27. Процесс силосования кормов. Силос — сочный корм, обладающий высокой кормовой ценностью.

Роль бактерий в жизни человека: производство лекарственных препаратов

Изучение жизнедеятельности микробов позволило ученым применять некоторые бактерии для синтеза антибактериальных препаратов, витаминов, гормонов и ферментов.

Они помогают бороться со многими инфекционными и вирусными заболеваниями. Чаще всего антибиотики продуцируют актиномицеты , реже – немицеллярные бактерии . Пенициллин, полученный из плесневых грибов, разрушает клеточную оболочку бактерий. Стрептомицеты продуцируют стрептомицин, который инактивирует рибосомы микробных клеток. Сенные палочки или Bacillus subtilis закисляют среду обитания. Они угнетают рост гнилостных и условно патогенных микроорганизмов за счет образования целого ряда веществ антимикробной направленности. Сенная палочка продуцирует ферменты, разрушающие вещества, которые образуются в результате гнилостного распада тканей. Они участвуют в синтезе аминокислот, витаминов и иммуноактивных соединений.

Используя технологию генной инженерии, сегодня ученые научились использовать для производства инсулина и интерферона.

Ряд бактерий предполагается использовать для получения специального белка, который можно будет добавлять в корм скоту и в пищу человеку.

Рис. 28. На фото споры сенной палочки или Bacillus subtilis (окрашены в синий цвет).

Рис. 29. Биоспорин-Биофарма — отечественный препарат, содержащий апатогенные бактерии рода Bacillus.

Использование бактерий для производства безопасных гербицидов

Сегодня широко используется методика применения фитобактерий для производства безопасных гербицидов. Токсины Bacillus thuringiensis выделяют опасные для насекомых Cry-токсины, что позволяет использовать эту особенность микроорганизмов в борьбе с вредителями растений.

Использование бактерий в производстве моющих средств

Протеазы или расщепляют пептидные связи между аминокислотами, из которых состоят белки. Амилаза расщепляет крахмал. Сенная палочка (B. subtilis ) продуцирует протеазы и амилазы. Бактериальные амилазы используются при производстве стирального порошка.

Рис. 30. Изучение жизнедеятельности микробов позволяет ученым применять некоторые их свойства для блага человека.

Значение бактерий в жизни человека огромно. Полезные бактерии являются постоянными спутниками человека много тысячелетий. Задача человечества — не нарушить это тонкое равновесие, которое сложилось между микроорганизмами, живущими внутри нас и в окружающей среде. Роль бактерий в жизни человека огромна. Ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.

Статьи раздела "Что мы знаем о микробах" Самое популярное