20. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.(температура,влажность,ph)

Факторы внешней среды постоянно влияют на жизнедеятельность микроорганизмов. При благоприятных условиях наблюдаются быстрый рост и размножение микробов. В условиях, неблагоприятных для жизнедеятельности, развитие замедляется, и далее может наступить их гибель. Факторы внешней среды, оказывающие влияние на микроорганизмы, подразделяют на физические, химические и биологические.

Физические факторы. К физическим факторам внешней среды, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся температура, влажность, свет и др.

Влияние температуры. Микроорганизмы могут переносить значительные колебания температуры. Для нормальной жизнедеятельности микробной клетки необходима определенная температура. Различают три температурные точки: оптимальную, минимальную и максимальную, при которых может проявляться их жизнедеятельность различной интенсивности. Оптимальная температура та, при которой наиболее интенсивно растут и развиваются микроорганизмы. Минимальная температура - это самая низкая, при которой еще возможно развитие микробов. Ниже этой температуры  микроорганизмы снижают свою биохимическую активность, но не погибают, а переходят в анабиотическое состояние, т.е. состояние скрытой жизни, напоминающее зимнее оцепенение многих хладнокровных (лягушек, змей, ящериц). Максимальная - это самая высокая температура, при которой еще возможны рост и развитие микроба. Выше максимальной температурной точки микроб погибает.

В зависимости от температуры, к которой микроорганизмы приспособились в процессе длительной эволюции, их подразделяют на психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (холодолюбивые) способны развиваться при низкой температуре. Оптимальной для них является температура 15-20 °С, минимальной 0-10, максимальной 30-35 °С. К этой группе относятся некоторые представители кокковой микрофлоры, плесневые грибы, железобактерии и др., вызывающие порчу продуктов при хранении в холодильниках.

Мезофилы - группа микроорганизмов, которые развиваются при средних температурах. Оптимальной для них является температура 30-37 °С, минимальной 10, максимальной 43-50°С. К этой группе относятся многие плесневые грибы, дрожжи, гнилостные и все патогенные микроорганизмы.

Термофилы (теплолюбивые) - микробы, развивающиеся при сравнительно высокой температуре. Оптимальной для них является температура 50-60 °С, минимальной 35, максимальной 75-85 °С. Термофилы являются основными возбудителями порчи мясных и мясорастительных консервов, принимают участие в самонагревании силоса, влажного зерна, сена, хлопка, муки и др. Некоторые термофильные микробы (споровые палочки) сохраняют жизнедеятельность при температуре выше 85 °С.

Микроорганизмы весьма устойчивы к охлаждению и замораживанию. Некоторые виды бактерий и плесневых грибов выдерживают температуру жидкого воздуха (- 190 °С) и жидкого водорода (- 253 °С). Очень устойчивыми к низкой температуре являются вирусы. При низкой температуре все же происходит ряд изменений, которые могут привести к гибели микроба. Скорость отмирания микробов при замораживании зависит от вида микроба, температуры замораживания, кратности замораживания и оттаивания, вида и продолжительности хранения продукта в замороженном состоянии и др.

Высокая температура, вызывающая гибель микробной клетки, называется летальной. Губительное действие высокой температуры обусловливается повреждением коллоидного состояния плазмы, денатурацией белка с последующей коагуляцией его, а также нарушением ферментативных систем. Большинство неспоровых микробов погибают во влажной среде при температуре 60-70 °С за 15-30 мин, при температуре 85 °С - за 3-5 и при температуре 100°С - моментально. Весьма устойчивыми к высокой температуре являются споры бацилл. Споры некоторых микроорганизмов выдерживают кипячение от нескольких минут до нескольких часов.

Влияние влажности. Минимальная влажность, необходимая для жизнедеятельности бактерий, 30 %, для плесневых грибов - 15 %. Различные виды микроорганизмов не в одинаковой степени чувствительны к высушиванию, при котором происходит потеря воды, в результате чего наступает гибель клетки. Наиболее чувствительны к высушиванию неспорообразующие микробы. Споры обладают высокой устойчивостью к высыханию, сохраняясь в высушенном состоянии в течение нескольких лет. Высушивание используют как один из методов сохранения скоропортящихся продуктов. В мясной промышленности метод высушивания нашел широкое применение для консервирования мяса, колбас, мясокостной муки и т.д.

Лиофильная сушка (высушивание при низкой температуре и разрежении) способствует длительному сохранению микроорганизмов. Этот метод используют в промышленности для получения сухих вакцин (живых), консервирования мяса и эндокринного сырья, приготовления органопрепаратов и заквасок для кисломолочных продуктов.

Влияние света. Прямые солнечные лучи, особенно ультрафиолетовые, оказывают бактерицидное действие. Микробная клетка вегетативных форм погибает на солнечном свету через несколько минут. Рассеянный свет не оказывает столь губительного действия на микробов, но при длительном воздействии может постепенно тормозить их рост и развитие.

Ультрафиолетовое облучение применяют на предприятиях мясной промышленности для обеззараживания воздуха, поверхности оборудования и различных предметов с помощью бактерицидных ламп.

Влияние излучений. Микроорганизмы более устойчивы к воздействию рентгеновских и гамма-лучей; смертельная доза для них в сотни и тысячи раз больше, чем для животных. Рентгеновское и гамма-излучение в малых дозах и при непродолжительной экспозиции оказывают стимулирующее действие на рост и размножение микробов. Большие дозы рентгеновских лучей инактивируют ферменты, замедляют рост и предотвращают размножение микробов.

Влияние ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны обладают значительной механической энергией, способной инактивировать ферменты, токсины, разрушать микробную клетку. Смертельное воздействие на бактерии и вирусы начинает проявляться при озвучивании среды с частотой колебаний около 100 тыс. Гц. Ультразвук может быть использован для стерилизации и пастеризации продуктов, очистки и дезинфекции оборудования, тары, сточных вод.

Влияние давления. Микроорганизмы устойчивы к высоким давлениям. Микробы обнаружены на дне глубоких морей и океанов, где давление достигает более 90 МПа (900 кгс/см²), некоторые дрожжи, плесневые грибы выдерживают давление 300 МПа (3000 кгс/см²).

Химические факторы. Микробная клетка реагирует на самое незначительное количество химического вещества в среде. Так, если в каплю воды, содержащую подвижные бактерии, опустить капилляр, наполненный раствором пептона (питательного для микробов вещества), то через некоторое время можно заметить скопление микроорганизмов у отверстия капилляра. Это так называемый положительный химиотаксис - бактерии движутся навстречу привлекающему их веществу. Если же капилляр будет заполнен щелочью или кислотой, то бактерии уходят от диффундирующего в воду ядовитого для них вещества, т.е. наблюдается отрицательный химиотаксис.

Действие химических веществ на микроорганизмы проявляется не в одинаковой степени. Как правило, малые концентрации не только не вызывают гибели микробов, а даже стимулируют их рост и развитие.

Большие концентрации химических веществ действуют на микроорганизмы бактериостатически или бактерицидно, вызывая их гибель. Химические вещества, вызывающие гибель микроорганизмов, получили название дезинфицирующих. Эффективность действия химических веществ зависит от химической природы этого вещества, его концентрации, температуры, реакции среды, вида микроорганизма и др. Вещества, применяемые для уничтожения микробов, должны быть в растворенном состоянии. Чем легче вещество адсорбируется микробной клеткой, тем сильнее его действие. Химические вещества в зависимости от их действия на микробную клетку можно разделить на следующие группы:

вещества, повреждающие только клеточную стенку, не изменяющие внутренней структуры микроба (мыла, жирные кислоты);

вещества, вызывающие повреждение оболочки и клеточных белков (фенол, крезол и их производные);

вещества, вызывающие денатурацию белков (формальдегид - 40%-ный раствор формалина);

вещества, вызывающие инактивацию ферментов (соли тяжелых металлов - соли ртути, меди, серебра и др.).

Наиболее чувствительными к химическим веществам являются микробы, не образующие спор, вегетативные формы. Споровые формы довольно устойчивы к воздействию различных химических веществ. Для их уничтожения необходимо готовить горячие растворы высокой концентрации химических веществ. Так, споры сибиреязвенной палочки  погибают в 5%-ном растворе фенола только за 14 сут, в то время как вегетативные формы этого возбудителя гибнут от такой концентрации за несколько секунд.

При выборе дезинфицирующих веществ для уничтожения микробов необходимо учитывать вид микроорганизма. Например, вирусы очень чувствительны к щелочам, возбудитель сибирской язвы - к хлору и формальдегиду, а возбудители туберкулеза устойчивы к воздействию кислот и щелочей.

Реакция среды (рН - показатель концентрации водородных ионов) оказывает влияние на рост и развитие микроорганизмов. Жизнедеятельность различных видов микробов возможна только при определенном рН. Большинство микроорганизмов развиваются в слабощелочной среде (рН 7,2-7,6), дрожжи и плесневые грибы лучше культивируются при рН 3-6. Меняя реакцию среды, можно регулировать интенсивность развития и биохимическую активность микробов. При снижении рН до 5 гнилостные бактерии не развиваются, в то время как при такой реакции наиболее активно проявляется ферментативная активность дрожжей.

21 Влияние биологических факторов на микроорганизмы, взаимоотношение между микроорганизмами и другими организмами.

Биологические факторы. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы находятся в различных взаимоотношениях между собой и с другими организмами. Эти взаимоотношения в процессе длительной эволюции складывались в соответствии с общебиологическим законом симбиоза (сожительства) живых существ. В природе взаимоотношения между микробами и другими организмами существуют в виде различных форм симбиоза, метабиоза и антагонизма.

Симбиоз между организмами может проявляться в виде комменсализма, мутуализма и паразитизма.

Комменсализм - это такая форма симбиоза, при которой один организм живет и развивается за счет другого, не причиняя ему вреда. Например, кишечная палочка, некоторые виды стафилококков, стрептококков и других микробов обитают на поверхности или в полостях человека и животного.

Мутуализм - такое сожительство, когда оба организма получают взаимную выгоду, не причиняя друг другу вреда, например сожительство клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.

Паразитизм - такой симбиоз, когда один организм живет за счет другого, нанося ему вред. Возбудители инфекционных болезней человека, животных и растений являются паразитами. Абсолютными паразитами являются вирусы, которые в процессе эволюции приспособились к существованию только в живых клетках человека, животных и растений.

Метабиоз - такое взаимоотношение между микроорганизмами, при котором в процессе последовательного развития одних микробов создаются благоприятные условия для жизнедеятельности других.

Антагонизм - такое взаимоотношение микробов, при котором совместное существование микробных видов оказывается невозможным, т.е. один вид микроба препятствует росту другого, задерживая его развитие, либо вызывает полную гибель.

22. Учение об изменчивости и наследственности микроорганизмов.

Понятие о генетике микроорганизмов. Генетика микроорганизмов представляет собой учение об их изменчивости и наследственности.

Изменчивость признаков микроорганизмов – изменение морфологических признаков – влияние различных экзогенных и эндогенных факторов приводит к тому, что некоторые микробные клетки принимают форму шара, утолщенных нитей, колбообразных образований, ветвлений. Такое явление именуется гетероморфизмом и заключается в приспособлении бактерий к условиям существования.

Эти изменения происходят под действием солей, фагов, антибиотиков, излучений и др.

Все живые существа, включая микроорганизмы, при размножении передают своему потомству присущие им форму и биологические свойства. Это свойство называется наследственностью.

Генотип и фенотип.

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства микроорганизмов, является ДНК. Фрагмент молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белку, называется геном. В генах, которые находятся в хромосоме ядра клетки, закодирована генетическая информация о всех свойствах клетки: форме, структуре белков, их функции.

Полный набор генов, которыми обладает клетка, представляет ее генотип. Свойства микроорганизмов, представленные в тех или иных условиях, называются фенотипом.

Морфология бактерий может изменяться под действием физических и химических, биологических факторов(t^о, УФЛ, антибиотики, химические вещества).

При определенных условиях свойства микроорганизмов могут изменяться. Например, на плотной питательной среде при посеве чистой культуры образуется два основных типа: гладкие с ровными краями – S-формы и шероховатыеR-формы, отличающиеся по другим свойствам. Такая изменчивость называется диссоциацией, подверженная влияниям антибиотикам, температуре и т.д.

Наследственная изменчивость возникает в результате действия внешней среды. Вновь приобретенные признаки исчезают после действия этого фактора. Структура гена не изменяется.

Наследственная изменчивость – обусловлена перестройкой генного аппарата. Она проявляется в виде мутаций и генетических рекомбинаций.

Половое размножение, или генетическая рекомбинация.

У бактерий наблюдается половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот (зеленые растения, остальные водоросли, грибы, животные), тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит слияние клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК клетки-донора переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесенная ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК.

При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной.

У потомства, или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения.

Известно три способа получения рекомбинантов. Это – в порядке их открытия –

• трансформация,

• конъюгация,

• трансдукция.

При трансформации клетки донора и реципиента не контактируют друг с другом. Этот процесс открыл в 1928г Гриффит.

При трансформации из клетки-донора выходит небольшой фрагмент ДНК, который активно поглощается клеткой-реципиентом и включается в состав ее ДНК, замещая в ней похожий, хотя и не обязательно идентичный фрагмент.

Трансформация наблюдается лишь у немногих бактерий. Например, у пневмококков.

Конъюгация – это перенос ДНК между клетками, непосредственно контактирующими друг с другом. В отличии от трансформации и трнсдукции при этом может обмениваться значительная часть донорской ДНК.

Донорская способность клеток определяется генами, находящимися в небольшой кольцевой молекуле ДНК, которую назвали половым фактором или F(Fertility- плодовитость) – фактором. Это своеобразная плазмида, кодирующая белок специфических пилей, называемыхF-пилями (половые пили).F-пили облегчают контакт клеток друг с другом.

Молекула ДНК состоит из 2^хцепей. При контакте одна из цепей двух цепочной ДНКF-фактора проникает через половую пилю из клетки донора (F⁺) в клетку реципиент (F^-).

Из рисунка видно, что в клетке-доноре сохраняется F-фактор, который реплицируется в ней, пока в клетке-реципиенте синтезируется ее собственная копия. Так постепенно вся популяция становитсяF-клетками.

Плазмиды или эписомы – это небольшие фрагменты ДНК, отличающиеся от основной ДНК. Не нужны для выживания клетки.

К эписомам относятся F- фактор и умеренные фаги.

При трансдукции небольшой двух цепочный фрагмент ДНК попадает из клетки-донора в клетку-реципиент вместе с бактериофагом.

Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК в ДНК бактерий. Такая встроенная ДНК реплицируется одновременно с ДНК хозяина и передается от одного поколения бактерий к другому.

Время от времени такая ДНК активируется и начинает кодировать образование новых вирусов.

ДНК бактерии разрывается, а высвобожденные фрагменты иногда захватываются внутрь новых вирусных частиц. Такие новые “вирусы” затем переносят ДНК в клетки других бактерий.

23 Фенотипические формы изменчивости микроорганизмов(адаптация и модификация). Диссоциация микроорганизмов.

Наследственность консервативна, она обуславливает стабильность вида микроорганизмов, напротив, изменчивость является выражением способности вида приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям его обитания. Наследственность и изменчивость неразрывно связаны между собой и размножением микроорганизмов. В популяции бактерий всегда появляются клетки, которые могут менять свои свойства. Если изменение признаков под влиянием факторов различного порядка, связаны с генотипом бактерий, то эти изменения передаются по наследству и могут быть положительно расценены естественным отбором. Новые признаки, обеспечивающие селективное преимущество, закрепляются естественным отбором, меняется генотип вида, осуществляется процесс эволюции.

У микроорганизмов различают фенотипическую (модификационную, ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

Фенотипическая изменчивость бактерий

Фенотипическая изменчивость является не наследуемым типом изменчивости, т. е. это различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу. Эта изменчивость возникает в результате постоянного воздействия на клетку изменяющихся факторов среды обитания. Сходные по генотипу, микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. по способу проявления наследственных признаков.

На формирование фенотипа существенное влияние оказывают факторы внешней среды. Известно, что генотипически идентичные организмы в различных условиях существования в определенной степени различаются по своим признакам. Например, изменение содержания жира в молоке животных или массы тела в зависимости от их кормления, изменение количества эритроцитов в крови в зависимости от порциального давления кислорода.

В отличает от особей высший организмов, у которых исследуются признаки каждой особи, у микроорганизмов изучают не признаки одной клетки, а всей культуры, которая включает миллиарды бактерий. Культуры микробов, выращенные на питательной среде, отличаются характером роста, физиологическими и биохимическими признаками. К морфологическим признакам относят окраску, размер, форму, наличие жгутиков, капсул, спор и т. д. К физиологическим признакам культур относятся способность расти при определенной температуре, устойчивость к химическим веществам, облучению, антибиотикам, фагам, различным ядам.

Примером модификационной изменчивости у микроорганизмов может быть образование различных типов адгезинов у гонококка, необходимых для колонизации им кишечника. В качестве примера, можно привести увеличение сальмонелл при добавлении к питательной среде стрептомицина. При переносе таких сальмонелл в питательную среду без стрептомицина бактериальные клетки приобретают типичную для вида величину.

Модификации представляют собой изменения, которые поддерживаются пока действует неблагоприятный фактор. Так, образование L-форм бактерий, лишенных клеточной стенки, происходит под влиянием химиотерапевтических веществ (пенициллина, стрептомицина и т. д.). при снятии действия антибиотиков на культуру бактерий происходит реверсия микроорганизмов в исходные формы. Фенотипическое проявление признака под влиянием условий внешней среды возможно в определенных пределах, называемых нормой реакции, которая допустима генотипом организмов. Некоторые признаки характеризуются широкой нормой реакции. В основном, это количественные признаки (масса микробной клетки, ее величина, пигментация колоний).

Фенотипическое проявление информации, заключенной в генотипе, характеризуется показателями пенентрантности и экспрессивности. Пенетрантность отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации, а экспрессивность характеризует степень выраженности признака.

Различают длительную модификацию, которая проявляется в течение нескольких поколений и кратковременную, при которой изменения исчезают при исчезновении действующего фактора внешней среды.

Генотипическая изменчивость бактерий

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа бактерий. В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации.

Мутации (от латинского mutatio – изменение) – это изменения структуры ДНК (качественные или количественные), которые возникают под влиянием эндогенных или экзогенных факторов и проявляются наследственно закрепленным изменением одного или многих признаков. В природе мутации возникают без участия экспериментатора и называются спонтанными, а мутации, контролируемые экспериментатором, называются индуцированными. Бактерии с измененными признаками называют мутантами. Спонтанные мутации возникают под влиянием неизвестных причин и лежат в основе эволюции микроорганизмов. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Различают физические, химические и биологические мутагены.

К физическим мутагенам относятся такие факторы, как температура, радиация, ультрафиолетовые лучи, ионизирующие излучения и др.

К химическим мутагенам принадлежат многочисленные химические соединения и вещества, которые могут изменять структуру генов, взаимодействуя с ДНК бактериальной клетки.

Биологическими мутагенами являются бактериофаги и продукты жизнедеятельности клеток, которые накапливаются в питательной среде в результате размножения и роста бактерий.

По широте изменений генома бактерий мутации делят на генные – изменения регистрируют в пределах одного гена, хромосомные – в группе генов, точковые – в одном триплете.

В зависимости от взаимодействия мутагенов на нуклеотид бактериальной клетки или ее плазмиды, мутации делят на нуклеоидные и плазмидные.

По направлению выделяют прямые и обратные мутации. Прямые – это изменения генов бактерий, выделенных из естественной среды обитания. Обратные мутации – это возврат от измененного типа бактерий к естественному типу.

По фенотипическому проявлению различают нейтральные, условно-летальные и летальные мутации.

Нейтральные мутации фенотипически не проявляются. Условно-летальные мутации ведут к изменению, но не к исчезновению функциональной активности фермента. Летальные – это мутации, ведущие к полной потери способности клетки синтезировать жизненно необходимые ферменты, что приводит к ее гибели.

Мутации фенотипически проявляются изменением морфологических, биохимических, вирулентных и других свойств.

Диссоциация – это особый, присущий только бактериям вариант изменчивости, при котором происходит культуральная изменчивость, т. е. расщепление вида и возникновение при росте на плотной питательной среде двух основных типов колоний: S-форма – гладкие (от английского smooth – гладкий) и R-форма (от английского rough – шероховатый) – шероховатые. Между этими формами имеются и переходные М-, О-, Д-формы.

Микроорганизмы из колоний в S-форме обладают хорошо выраженными антигенными и вирулентными свойствами и, напротив, у бактерий из колоний в R-форме эти свойства выражены слабо. Однако, не всегда S-форма микробов является свидетельством их вирулентности. Например, возбудитель сибирской язвы, туберкулеза, чумы вирулентны в R-форме.

В основе диссоциации лежат мутации, спонтанно возникающие в естественной среде обитания микробов или же при культивировании их на искусственных питательных средах.

Диссоциация имеет большое значение для микроорганизмов, так как они, благодаря этому явлению, получают селективное преимущество, обеспечивающее их существование в организме животных и человека, а также во внешней среде. Известно, что S-формы более устойчивы к фагоцитозу, R-формы – к факторам естественной среды обитания.

Геном бактерий способен к репарации. Репарация – это процесс восстановления структуры поврежденной ДНК, который обеспечивается многочисленными ферментами, определяющими состояние этой кислоты. Например, фоторепарация зависит от фотолиаз. Эти ферменты активизируются при образовании тиминовых димеров в ДНК под воздействием ультрафиолетового облучения и деполизируют эти димеры до исходных мономеров.

Наибольшее значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет SOS-репарация или SOS-ответ. SOS-ответ – это реакция микробных клеток на прекращение синтеза нуклеиновых кислот в связи с повреждением ДНК, голоданием клетки, воздействием продуктов метаболизма и т. д. SOS-ответ возникает при критическом состоянии клетки, на грани ее гибели, как реакция направленная на восстановление жизнедеятельности клетки. Например, результатом SOS-ответа у E. Coli является синтез около 25 белков, имеющих непосредственное отношение к репарации, рекомбинации и синтезу ДНК. SOS-ответ у микроорганизмов контролируется SOS-областью. Обычно гены этой области находятся в неактивном состоянии и активизируются лишь в критические для жизни клетки моменты. SOS-репарация обеспечивает развитие микробной популяции в целом и ее адаптацию к изменившимся внешним условиям.

24 Генотипические формы изменчивости микроорганизмов(мутации и рекомбинации генов)

Кроме мутаций у бактерий известны рекомбинационная изменчивость. Рекомбинация – это передача генетического материала от клетки-донора с одним генотипом к клетке-реципиенту с другим генотипом. В результате такой передачи образуются рекомбинанты – т. е. бактерии, обладающие свойствами обоих родителей. Рекомбинация является важнейшим фактором эволюции, т. к. между разными особями происходит обмен генетической информацией, что повышает уровень их приспосабливаемости к различным внешним факторам окружающей среды. Рекомбинации могут наблюдаться на уровне любых живых организмов – от прокариот до высших эукариот.

Различают следующие способы рекомбинационной (комбинативной) изменчивости: трансформация, трансдукция, конъюгация.

Трансформация (от латинского transformo – превращать, преобразовывать) – изменение генома бактерий – реципиента, в результате поглощения из среды свободного фрагмента ДНК клетки-донора.

Впервые явление трансформации начал изучать Ф. Гриффитс (1928), используя в опытах культуры пневмококков. Эти микроорганизмы способны к диссоциации и образуют на плотной питательной среде колонии в S-форме и R-форме. Микроорганизмы образующие S-формы колоний капсульные, они патогенны для белых мышей. Бактерии, формирующие на агаре R-формы колоний бескапсульные, не патогенные для мышей. Фактором патогенности у пневмококков является капсула, что было учтено Ф. Гриффитсом при проведении опытов. Он ввел мышам вместе две культуры пневмококков: одну – непатогенную бескапсульную (R-штамм), а вторую – патогенную с капсулой (S-штамм), но обезвреженную нагреванием. Мыши, получившие смесь упомянутых культур пали. Из крови павших мышей была получена культура, микроорганизмы которой имели капсулу и обладали патогенностью. Контрольные эксперименты продемонстрировали, что введение мышам по отдельности живых пневмококков бескапсульных и убитых нагреванием не приводит к гибели животных. Ученый сделал вывод, что непатогенные клетки R-штамма могут трансформироваться в патогенные пневмококки, обладающие капсулой.

Грачевой (1946) был получен вариант кишечной палочки с некоторыми свойствами характерными для сальмонелл. Она культивировала E. Coli на среде, к которой добавлялась убитая культура сальмонелл.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: синтез капсульного полисахарида, синтез различных ферментов, устойчивость к антибиотикам и т. д.

Было обнаружено, что трансформация имеет место чаще в пределах одного вида, но может наблюдаться и между разными видами. В процессе трансформации участвуют две бактериальные клетки: донор и реципиент.

О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти (1944) установили, что трансформирующим фактором является ДНК. По их мнению, трансформация представляет собой поглощение изолированной ДНК бактерии донора клетками бактерии реципиента.

Трансформация – сложный биологический процесс, который протекает поэтапно. Первая стадия этого процесса заключается в адсорбции трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки. Вторая – проникновение ДНК через определенные рецепторные участки стенки бактерии-реципиента при помощи специальных белков внутрь клетки. Третья стадия представляет собой спаривание части ДНК донора с ДНК реципиента, четвертая – включение в ДНК реципиента одной из цепей трансформирующего элемента. И пятая – изменение нуклеотида клетки-реципиента в ходе ее последовательных делений. Способность бактерий реципиентов к трансформации была названа компентентностью. Компентентность определяется физиологическим состоянием клетки-реципиента к периодам клеточного цикла.

Трансдукция (от латинского transductio – перенос) – перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи бактериофага. Явление трансдукции впервые установили Н. Циндлер и ДЖ. Ледербер (1952). Для исследований они использовали патогенные для белых мышей два штамма S. typhimurium (22 A и 2A). Штамм 22 А – ауксотрофный, не способный синтезировать триптофан (Т^-), штамм 2А – способный к синтезу триптофана (Т⁺). В опытах исследователи использовали U-образную трубку, разделенные на изгибе бактериальным фильтром. В одно колено этой трубки с питательной средой засевали бактерии штамма 22 А, в другое – штамма 2А. Опыты показали, что штамм 22 А был лизогенен по фагу Р-22. Этот фаг из лизогенной культуры проходил через бактериальный фильтр, лизировал бактерии штамма 2А, присоединял при этом его генетический материал. Затем фаг возвращался обратно и передавал генетический материал штамма 2А штамму 22А, который приобретал способность синтезировать триптофан.

Явление трансдукции установлено не только у сальмонелл, но и у кишечной палочки и актиномицетов. У бактерий наблюдается трансдукция одного, реже двух и весьма редко трех сцепленных генов.

Различают следующие виды трансдукции: общую (неспецифическую), специфическую и абортивную.

Общая трансдукция характеризуется тем, что фаг играет роль переносчика генетического материала бактерий, т. е. передает в клетку-реципиент любой ген донорской клетки. Сам фаг в нуклеоид реципиента не встраивается и лизогении бактериальной культуры не происходит. Один и тот же фаг может служить трансдуктором различных признаков: ферментативной активности, устойчивости к лекарственным веществам, подвижности, вирулентности и др.

Специфическая трансдукция заключается в том, что бактериофаг переносит от клетки-донора в клетку-реципиента строго определенные гены и встраивает их в определенные участки реципиента. Бактериофаг может встраиваться в нуклеоид клетки-реципиента. Клетки бактерий, имеющие в своей хромосоме профаг, называют мезогенными, а явление совместного существования ДНК бактерий и профага называется мезогенным.

Абортивная трансдукция характеризуется тем, что фрагмент ДНК донора, перенесенный в клетку реципиента не включается в ее нуклеоид, а может сохраняться в цитоплазме клетки. Клетка при этом не подвергается лизису, но при делении ее перенесенный новый признак постепенно исчезает у ее потомства.

Конъюгация (от латинского conjugatio – контактирование) – перенос генетического материала от одной бактериальной клетки (донора) к другой (реципиенту) при непосредственном контакте этих клеток. Явление конъюгации открыли Дж. Ледерберг и Э. Татуш (1946).

Ученые взяли два ауксотрофных мутантных штамма E. Coli к-12: один не способный синтезировать треонин и лейцин (Thr-Leu^-), другой – метионин и биотин (Met-Bio^-) и выращивали их вместе в течение 12 часов на полноценной питательной среде. Затем выросшую культуру отцентрифугировали и отмыли от полноценной питательной среды и засеяли на минимальную питательную среду.

На этой среде без метионина, биотина, треонина и лейцина появились прототрофные колонии Met⁺, Bio⁺, Thr⁺, Leu⁺. Опытным путем ученые установили, что ни трансформации, ни трансдукции в данном случае не наблюдалось. Был сделан вывод о происхождении рекомбинантных геномов в результате непосредственного контакта родительских клеток. Микрофотографии конъюгирующих клеток явились доказательством того, что между ними образуется цитоплазматический мостик.

В 1952 году Хейтс выяснил, что при конъюгации одна клетка является мужским донором, а другая – женским реципиентом. Клетки-доноры обладают половым фактором F ( от fertility – плодовитость), который представляет собой замкнутую в кольцо молекулу ДНК. Перенос генетического материала происходит в одном направлении – от донорской (мужской F⁺) клетки к реципиентной (женской F^-).

Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды, продуцирующей половые пили, образующие трубочку, по которой плазмидная ДНК передается из клетки-донора в клетку-реципиент, в результате чего последняя приобретает донорские свойства. В случае, когда F-фактор встраивается в хромосому донора и функционирует в виде единого с ней репликона, то нуклеоид донора приобретает способность передаваться в клетку-реципиент. Донорские клетки, содержащие встроенный в нуклеоид F-фактор, называются Hfr-клетками ( от английского high frequency of recombination – высокая частота рекомбинаций).

Процессы генетической рекомбинации у бактерий (трансформация, трансдукция, конъюгация) различны по форме, но аналогичны по содержанию, т. к. в результате каждого процесса происходит перенос фрагмента ДНК от одной клетки к другой. При трансформации бактерии-реципиенту передается свободная ДНК, при трансдукции перенос участка ДНК осуществляется при помощи бактериофага, а при конъюгации транспортировка участка ДНК происходит через цитоплазматический мостик между бактериями.

25. Микрофлора воды. Санитарная оценка воды, показатели качества воды(коли-титр коли-индекс.) Вода - древнейшее место обитания микроорганизмов. Пресноводные водоемы и реки отличаются богатой микрофлорой. Многие виды галофильных микробов обитает в морской воде, в том числе на глубинах в несколько тысяч метров. Численность микроорганизмов в воде в определенной степени связано с содержанием органических веществ. Серьезной экологической проблемой являются сточные воды, содержащие значительное количество микроорганизмов и органических веществ, не успевающих самоочищаться.

Санитарно - гигиеническое качество воды оценивается различными способами. Чаще определяют коли - титр и коли - индекс, а также общее количество микроорганизмов в мл. Коли - индекс - количество E. coli (кишечной палочки) в одном литре, коли - титр - наименьшее количество воды, в котором обнаруживается одна клетка кишечной палочки. Санитарно - эпидемиологическое значение определения в различных объектах микроорганизмов изучает санитарная микробиология. К числу ее основных принципов можно отнести индикацию (выявление) патогенов в объектах окружающей среды, к косвенным методам - выявление санитарно - показательных микроорганизмов, определение общей микробной обсемененности.

Вода имеет существенное значение в эпидемиологии кишечных инфекций. Их возбудители могут попадать с испражнениями во внешнюю среду (почву), со сточными водами - в водоемы и в некоторых случаях - в водопроводную сеть.

26. Микрофлора воздуха. Санитарная оценка воздуха

Воздух является неблагоприятной средой для микроорганизмов. Отсутствие питательных веществ, влаги, оптимальной температуры, губительное действие солнечных лучей и высушивания приводят к быстрой гибели микробов в воздухе. Но некоторые виды могут сохраняться в воздухе достаточно долго. Их распространение в воздухе связано с образованием в нём аэрозоля – системы из воздуха, капель жидкости и твёрдых частиц. Микроорганизмы адсорбируются на частицах аэрозоля и оказываются надёжно защищёнными от губительного действия УФ-лучей.

 В воздухе могут встречаться до 100 видов сапрофитных микроорганизмов: пигментообразующие бактерии (микрококки, жёлтая сарцина, палочка чудесной крови и др.), спорообразующие микробы (дрожжи, плесневые грибы, актиномицеты), споровые палочки (B. subtilis, B. megaterium, B. cereus), которые наиболее устойчивы к действию прямого солнечного света и высушивания.

Много микроорганизмов содержится в воздухе закрытых помещений. Количество микробов в воздухе закрытых помещений зависит от их объёма, частоты проветривания, качества уборки, степени освещённости, нахождения в них людей и др. Воздух закрытых помещений отражает, в основном, микрофлору организмов людей и животных, находящихся в этих помещениях. Микроорганизмы попадают в воздух с поверхности тела (с чешуйками кожи) и через верхние дыхательные пути при разговоре, кашле, чихании.

В связи с этим  воздух может быть фактором передачи ряда инфекций: гриппа, кори, скарлатины, дифтерии, туберкулёза, коклюша, стрептококковых, стафилококковых и менингококковых инфекций, ангины, оспы, лёгочная форма чумы и др.

  Поэтому проводится санитарно-бактериологический контроль состояния воздуха, особенно в больничных и детских учреждениях, в аптеках.

Критерии оценки санитарного состояния воздуха закрытых помещений.

 1. ОБЩАЯ МИКРОБНАЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТЬ.

 2. КОЛИЧЕСТВО САНИТАРНО-ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ МИКРОБОВ ВОЗДУХА.

Cанитарно-показательными микробами воздуха закрытых помещений являются:

1) золотистый стафилококк - S. aureus;

2) a-зеленящий стрептококк - Str. viridans;

3) b-гемолитический стрептококк - Str. haemolyticus.

 Эти бактерии являются показателями орально-капельного загрязнения. Они имеют общий путь выделения в окружающую среду с  патогенными микроорганизмами, передающимися воздушно-капельным путём. Сроки выживания их в окружающей среде не отличаются от сроков, характерных для большинства  возбудителей воздушно-капельных инфекций.

Методы делятся на седиментационные и аспирационные.

1. Седиментационный метод Коха - наиболее простой метод. Он используется только для ориентировочного анализа. Посев воздуха делают так: чашку Петри с определенной плотной питательной средой оставляют открытой в течение определённого времени и микробы оседают из воздуха на поверхность среды. Затем чашки Петри с посевом инкубируют в термостате и подсчитывают число колоний, зная, что 1 колония – 1 клетка. Микробное число воздуха или количество санитарно-показательных микробов подсчитывают, пользуясь правилом Омелянского: на поверхность питательной среды площадью 100 см2 за 5 мин оседает столько микробов, сколько их содержится в 10 л воздуха.

2. Аспирационный метод Кротова - более точный количественный метод. Посев воздуха осуществляется с помощью аппарата Кротова. Прибор Кротова устроен так, что можно сделать посев определенного объема воздуха на различные среды.

Для определения общего количества сапрофитных бактерий пропускают 100 л воздуха и используют МПА. 

Для определения количества дрожжевых и плесневых грибов пропускают 250 л воздуха и используют среду Сабуро.

 Для определения количества санитарно-показательных микробов  пропускают 250 л и используют желточно-солевой агар для стафилококка, среду Гарро (кровяной агар с генциановым фиолетовым) для стрептококков.

27.Превращение углерода в природе

Биосфера представляет оболочку жизни – область существования живого вещества. Весь ее углерод им захвачен. Все углеродистые соединения, находящиеся и образующиеся в ней, с ним каким-нибудь образом связаны. Все фреатические углеродистые минералы, попадающие в нее в результате геологических процессов, происходят в своей основе из живого вещества, представляют метаморфизованные продукты вадозных минералов, когда-то связанных с жизнью.

CO₂ – единственный ювенильный и фреатический минерал углерода, проникающий в большом количестве в биосферу.

Важно отметить, что на земной поверхности существует большое количество химических процессов, связанных с синтезом угольной кислоты. Эти процессы находятся в очевидной связи с живым веществом, так как они все образуются под влиянием свободного кислорода.

Свободный кислород окисляет углеродистую, даже графитовую, пыль, большие количества угольной кислоты образуются в среде самого живого вещества под влиянием процессов дыхания.

Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Большая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохимический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяющиеся в каменноугольных копях.

Но такое объяснение, едва ли приложимо целиком к газовым струям углеводородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется бурением и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях.

Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторождениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным органическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой:

Морская жизнь → морской ил → осадочные породы → газы.

Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжизненного изменения в бескислородной среде.

Но все же часть метана может быть связана с магматическими очагами и является составной частью глубоких подземных атмосфер состава H₂O-CH₄.

Генезис этих атмосфер должен быть сложный, и пары воды и углеводороды могут быть разного происхождения.

Геохимический цикл углерода

Жизненный цикл углерода – равновесие между угольной кислотой и живым веществом.

Наиболее выдающейся чертой жизненного цикла является его неполная обратимость, так как он возвращает окружающей среде лишь часть поглощенной жизнью угольной кислоты. Часть ее атомов всегда задерживается в жизненном цикле, другая выделяется в виде углеродных биогенных минералов. Этот последний углерод покидает геохимический цикл и возвращается в него иногда лишь через геологически долгое время.

Главными группами таких биогенных углеродных минералов являются карбонаты извести, каменные угли, нефти и битумы. Все остальные происходят из них или образуют незначительные по сравнению с ними массы.

Количества углерода, потерянные для жизненного цикла в виде карбонатов, каменного угля, нефти, соответствуют лишь незначительной части общего органического углерода. Живое вещество удерживает углерод в жизненном цикле. Это наиболее характерная черта геохимии этого элемента.

Большая часть угольной кислоты, поглощенная организмами, всегда задерживается живым веществом. Даже когда угольная кислота выделяется одними из этих организмов, она мгновенно захватывается другими (например, дыхание почвы).

Этот факт был установлен великим натуралистом К. М. фон Бэром в 1838г. как закон бережливости природы по отношению к живому веществу. К. М. фон Бэр заметил, что переход органического углерода в углерод неорганический, т.е. создание вадозных углеродистых минералов, совершается с чрезвычайной медленностью. Углерод выходит из жизненного цикла:

CO₂  живое вещество, лишь с большим трудом и в малом количестве.

Но все же он частью покидает цикл, и цикл, таким образом, становится необратимым. Это факт, имеющий огромное значение в истории Земли.

Биологический круговорот атомов

Повсеместно в биосфере наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергии протекает и противоположный процесс – превращение сложных органических соединений в простые минеральные CO₂, H₂O, NH₃ и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO₂ и H₂O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.

Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления информации.

Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO₂, H₂O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO₂ только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, природа не остается неизменной. Вот характерный пример. Представим себе озеро в лесной зоне с травами, растущими в прибрежной полосе (осоки, тростники и др.), богатое рыбой. После каждого годичного цикла круговорота часть атомов углерода, водорода и других элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в минеральные соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила – сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных озер, история многих болот.

Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов.

В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO₂, гумусовые кислоты, NH₃, SO₂-₄, H₂S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.

Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается.

Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов.

 т., в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3∙10¹⁴ т. В литосфере в связанном состоянии находится 2∙10¹⁷ т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5∙10¹² т.), т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

28. Спиртовое брожение и его возбудители

Типичные процессы брожения (спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое): возбудители, химизм, условия, влияющие на интенсивность брожения, значение

Брожение - анаэробный ферментативный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, посредством которого многие организмы получают энергию, необходимую для их жизнедеятельности. Брожение - эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональна форма получения энергии из питательных веществ по сравнению с кислородным дыханием. К брожению способны бактерии, многие микроскопические грибы и простейшие. Брожение также может наблюдаться в клетках растений и животных в условиях дефицита кислорода.

Сбраживанию подвергаются различные вещества. Это углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и другие вещества. Продуктами брожения являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, амиловый), ацетон, также углекислый газ и вода. Широкое распространение природе имеет брожение молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое, спиртовое и др.

В основе молочнокислого брожения лежит гликолиз, т е. ферментативное расщепление глюкозы.

Для большинства организмов в отсутствие кислорода деградация глюкозы до пирувата — это единственная возможность получения энергии для синтеза АТФ. При этом для поддержания процесса гликолиза и синтеза АТФ образующийся НАДН + Н⁺ должен постоянно окисляться до НАД⁺. В организме высших животных этот процесс связан с восстановлением пирувата до лактата. У микроорганизмов регенерация НАД⁺ происходит по другим механизмам. К процессам этого типа относится брожение, или ферментация.

Процессы брожения с участием микроорганизмов часто используются на практике при производстве пищевых продуктов, алкогольных напитков или консервировании. Все процессы брожения начинаются с образования пирувата и протекают только в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. Спиртовым брожением называется превращение микроорганизмами углеводов в этиловый спирт и углекислоту. Химическая схема спиртового брожения без учета промежуточных этапов выражается уравнением С6Н12О6=2СН3СН2ОН+2С02+27 ккал. Это брожение вызывается дрожжами, а также мукоровыми грибами. Впервые дрожжи наблюдал еще А. Левенгук в 1680 г. Но истинную роль дрожжей в спиртовом брожении установил Луи Пастер в 1857 г. Дрожжи, возбудители этого брожения, - факультативные анаэробы. Как источник азота они используют аминокислоты, пептон, а также аммонийные соли. При развитии в бескислородной среде они получают энергию за счет спиртового брожения, а в аэробных условиях - частично за счет окисления питательных веществ до углекислоты и воды. Это говорит о том, что дрожжевые клетки содержат очень сложный комплекс ферментов. При широком доступе кислорода у дрожжей помимо дыхания параллельно идет и процесс брожения - настолько ферменты дрожжей специализированы в направлении брожения. Дрожжи широко распространены в природе. Они всегда встречаются на поверхности фруктов и ягод, на листьях. С опадающими фруктами и ягодами дрожжи попадают в почву, где перезимовывают, а затем опять попадают на растения вместе с пылью, а также заносятся насекомыми, птицами. Это гак называемые дикие дрожжи. Спиртовое брожение широко используется в промышленности: в виноделии, пивоварении, винокурении и хлебопечении. В этих производствах употребляют культурные дрожжи, отличающиеся от диких дрожжей высокой производительностью. В винокурении и хлебопечении применяются верховые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, вызывающие бурное брожение с энергичным газообразованием, образованием поверхностной пены, выделением тепла. Они развиваются при температуре 18-30°. В пивоварении применяются дрожжи низового брожения, которое протекает гораздо спокойнее при более низкой температуре (4-10°), дрожжевые клетки размножаются в нижних слоях и оседают на дно. Когда в процессе брожения в среде накапливается спирта до 15% и более, брожение прекращается, так как спирт, как отход их жизнедеятельности, является для них вредным продуктом. При спиртовом брожении кроме спирта и СО2 образуются еще в незначительном количестве сивушные масла и глицерин. Сивушные масла (амиловый и другие спирты) образуются при разложении дрожжами аминокислот и связаны, таким образом, с азотистым питанием дрожжей. При прибавлении к питательной среде сульфитов Na2SО3, СаSО3 увеличивается количество глицерина. В результате из сахара получают 22% спирта и 20% глицерина.

Алкогольные напитки производят, как правило, сбраживанием растительных продуктов с высоким содержанием углеводов. Вначале образующийся из глюкозы пируват декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой в ацетальдегид. Последний восстанавливается алкогольдегидрогеназой в этанол с потреблением НАДН. В этом процессе участвуют не сбраживающие бактерии, а дрожжи, являющиеся эукариотами и относящиеся к одноклеточным грибам. Дрожжи часто используются также при выпечке хлеба. Они продуцируют CO₂ и спирт, которые разрыхляют тесто. Пивные, или пекарские, дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) гаплоидны и размножаются простым делением. Они могут жить как аэробно так и анаэробно. Вина получают с помощью других видов дрожжей, некоторые из них живут на ягодах винограда. Чтобы содействовать образованию этанола, при спиртовом брожении необходимо исключить доступ кислорода: например, когда тесто "подходит", его покрывают платком или проводят брожение в бочках с затвором, не позволяющим поступать воздуху.

Характеристика микроорганизмов - возбудителей

Микроорганизмы — это возбудители брожения, разложения и распада. Существуют полезные и вредные для людей. Микроорганизмы в большом количестве присутствуют везде, где может выжить организм в воздухе, почве, воде и внутри и снаружи на растениях и животных. Эти мельчайшие организмы выделяют ферменты, воздействующие на органику, на которой они растут.

Микроорганизмы выполняют много полезных и необходимых для жизни функций. В процессе собственной жизни микроорганизмы непрерывно пополняют содержание неорганических веществ в почве. Они расщепляют помет животных и ткани мертвых животных и растений. В процессе разложения сложные органические вещества растений и животных разлагаются до простых неорганических веществ, которые возвращаются в почву, а затем их поглощают зеленые растения. Из всех живых существ только зеленые растения, содержащие хлорофилл, поглощают неорганические вещества, произведенные микроорганизмами, и используют их как строительный материал для клеток и тканей. При помощи фотосинтеза зеленые растения комбинируют энергию солнца и углекислый газ из воздуха с водой и минеральными солями из почвы и производят органические вещества. Такие вещества служат пищей для всех животных и остальных растений, не содержащих хлорофилл, для жизни и развития. Хотя многие микроорганизмы необходимы для жизни на земле, некоторые содержат ядовитые вещества (токсины), которые чрезвычайно опасны для здоровья. Такие микроорганизмы являются причиной отравления, болезни и смерти.

Развитие микроорганизмов внутри и снаружи на скоропортящихся пищевых продуктах вызывает в них сложные химические изменения. В результате происходят нежелательные изменения вкуса, содержания витаминов, запаха и внешнего вида. Если не остановить процесс, пищевые продукты станут непригодными для употребления. Особый интерес при изучении сохранения пищевых продуктов вызывают три типа микроорганизмов: бактерии, дрожжи и микроскопические грибы (плесени). Так как каждый тип микроорганизма несколько отличается и по своей природе, и по поведению, необходимо их изучить.

29. Молочнокислое брожение и его возбудители. Продукты молочнокислого брожения

Молочнокислое брожение – процесс анаэробного окисления углеводов, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота. Название получило по характеру продукта – молочной кислоте. Для молочнокислых бактерий является основным путём катаболизма углеводов и основным источником энергии в виде АТФ. Также молочнокислое брожение происходит в тканях животных в отсутствие кислорода при больших нагрузках. Белки молока являются отличным источником азотистого питания для молочнокислых бактерий, которые расщепляют молочный сахар, превращая его в молочную кислоту, повышают кислотность среды, и молоко свёртывается, образуя плотный однородный сгусток.

При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота. Этот вид брожения осуществляется с помощью молочнокислых бактерий, которые подразделяются на две большие группы (в зависимости от характера брожения): гомоферментативные, образующие из сахара только молочную кислоту, и гетероферментативные, образующие, кроме молочной кислоты, спирт, уксусную кислоту, углекислый газ. Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6-ю (гексозы) или 5-ю (пентозы) углеродными атомами, некоторые кислоты. Однако круг сбраживаемых ими продуктов ограничен. У молочнокислых бактерий нет ферментативного аппарата для использования кислорода воздуха. Кислород для них или безразличен, или угнетает развитие.

Идет согласно следующему уравнению С₁₂H₂₂О₁₁ (молочный сахар) + H₂O = 4С₃Н₆О₃ (молочная кислота)

Если же сбраживается декстроза или вещества, способные переходить в декстрозу, то гидратации не происходит: С₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₆О₃. 

Глюкоза также расщепляется до пировиноградной кислоты. Но затем ее декарбоксилирование (отщепление СO2), как при спиртовом брожении, не происходит, так как молочнокислые бактерии лишены соответствующих ферментов. У них активны дегидрогеназы (НАД). Поэтому пировиноградная кислота сама (а не уксусный альдегид, как при спиртовом брожении) принимает водород от восстановленной формы НАД и превращается в молочную кислоту. В процессе молочнокислого брожения бактерии получают энергию, необходимую им для развития в анаэробных условиях, где использование других источников энергии затруднено. Гетероферментативное молочнокислое брожение — процесс более сложный, чем гомоферментативное: сбраживание углеводов приводит к образованию ряда соединений, накапливающихся в зависимости от условий процесса брожения. Одни бактерии образуют, помимо молочной кислоты, этиловый спирт и углекислоту, другие — уксусную кислоту; некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии могут образовывать различные спирты, глицерин, маннит.

Виды молочнокислого брожения

Различают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Поскольку расщепление лактозы происходит внутри клетки микроорганизма, ключевым этапом этого метаболического пути является поступление глюкозы в клетку. При переносе лактозы снаружи в цитоплазматическую мембрану и в клетку микроорганизма для превращения в фосфат лактозы участвуют четыре белка (последовательно: фермент II, III, I и HPr). Лактозо-6-фосфат гидролизуется β-фосфогалоктогеназой (β-Pgal) на его моносахаридные компоненты. Галактоза и глюкоза затем катаболизируются через тагатозный путь и путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (EMP). Возможно дефосфорилирование галактозы, и в этом случае она неусваивается и выводится из клетки микроорганизма. В обоих случаях глюкоза и галактоза превращаются дигидроксиацетон-фосфат и глицеринальдегид-3-фосфат, где трёхуглеродные сахара окисляются дальше до фосфоенолпирувата, а затем образуют молочную кислоту при помощи лактатдегидрогеназы. Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90% всех продуктов брожения. Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei, L. acidophilus, Streptococcus lactis.

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Лактозу и глюкозу по гетероферментативному пути образуют только бифидобактерии. При катаболизме глюкозы СО₂ не образуется, поскольку отсутствует начальный этап, включающий декарбоксилирование. Лактоза транспортируется в клетку с помощью пермеазы, а затем гидролизуется в глюкозу и галактозу. Альдолаза и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа у этого вида отсутствуют. Гексозы подвергают катаболизму путём гексозомонофосфатного шунта с участием фруктозо-6-фосфат-фосфокетолазы. Продуктами ферментации видами Bifidobacterium являются лактат и ацетат, а ферментация двух молекул глюкозы даёт три молекулы ацетата и две молекулы лактата. Побочными продуктами являются: уксусная кислота, этанол. Примеры гетероферментативных молочнокислых бактерий: L. fermentum, L. brvis, Leuconostoc mesenteroides, Oenococcus oeni. Гетероферментативные бактерии образуют молочную кислоту иным путем. Последняя стадия — восстановление пировиноградной кислоты до молочной — та же самая, что и в случае гомоферментативного брожения. Но сама пировиноградная кислота образуется при ином расщеплении глюкозы — гексозомонофосфатном. Выход энергии гораздо меньше, чем при спиртовом брожении.

Гетероферментативные бактерии сбраживают ограниченное число веществ: некоторые гексозы (причем определенного строения), пентозы, сахароспирты и кислоты.

Молочнокислое брожение широко используется при выработке молочных продуктов: простокваши, ацидофилина, творога, сметаны. При производстве кефира, кумыса наряду с молочнокислым брожением, вызываемым бактериями, имеет место и спиртовое брожение, вызываемое дрожжами. Молочнокислое брожение происходит на первом этапе изготовления сыра, затем молочнокислые бактерии сменяются пропионовокислыми.

Молочнокислые бактерии нашли широкое применение при консервировании плодов и овощей, в силосовании кормов. Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах. Молочная кислота находит широкое применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в фармацевтической промышленности и во многих других отраслях. Молочная кислота также нужна в кондитерской промышленности и для приготовления безалкогольных напитков.

Применение молочнокислого брожения для изготовления продуктов питания

Молочнокислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления простокваши, творога, сметаны, кефира, сливочного масла, ацидофильного молока и ацидофильной простокваши, сыров, квашеных овощей, при приготовлении хлебных заквасок, молочной кислоты. Молочнокислые бактерии широко применяют также при силосовании кормов, при выделке меховых шкурок и в производстве молочной кислоты. Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей, силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовления ржаного хлеба. Положительные результаты дают исследования по использованию молочнокислых бактерий при изготовлении некоторых сортов колбас, солено-вареных мясных изделий, а также при созревании слабосоленой рыбы для ускорения процесса и придания продуктам новых ценных качеств(вкуса, аромата, консистенции и др.). Промышленное значение имеет также применение молочнокислых бактерий для получения молочной кислоты, которую используют в безалкогольных напитках. Спонтанно (самопроизвольно) возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению). Применение молочнокислых бактерий в домашнем хозяйстве, сельском хозяйстве и для приготовления пищевых продуктов. Если нестерильный раствор, содержащий наряду с сахарами также сложные источники азота и факторы роста, оставить без доступа воздуха или просто налить в сосуд достаточно большое количество такого раствора, то вскоре в нем появятся молочнокислые бактерии. Они снижают рН до значений < 5 и тем самым подавляют рост других анаэробных бактерий, которые не могут развиваться в столь кислой среде. Какие именно молочнокислые бактерии вырастут в таких накопительных культурах, зависит от прочих условий. Благодаря своему стерилизующему и консервирующему действию, основанному на подкислении среды, молочнокислые бактерии используются в сельском и домашнем хозяйстве и в молочной промышленности. Приготовление силоса. Молочнокислые бактерии, обитающие на растениях, играют большую роль при запасании впрок кормов для скота. Для приготовления силоса используют листья сахарной свеклы, кукурузу, картофель, травы и люцерну. Растительную массу прессуют и прибавляют к ней мелассу, чтобы повысить отношение C/N, и муравьиную или какую-либо неорганическую кислоту, чтобы заранее обеспечить преимущественный рост лактобацилл и стрептококков. В таких условиях происходит контролируемое молочнокислое брожение. Приготовление кислой капусты. Кислая капуста тоже представляет собой продукт, в приготовлении которого участвуют молочнокислые бактерии. В мелко нарезанной, посыпанной солью (2-3%) и спресованной белокочанной капусте при исключении доступа воздуха начинается спонтанное молочнокислое брожение, в котором принимает участие сначала Leuconostoc (с образованием CO2), а позднее Lactobacillus plantarum. Молочные продукты. Молочнокислые бактерии, образующие кислоту и придающие продуктам определенный вкус, находят широкое применение в молочной промышленности. Стерилизованное или пастеризованное молоко или же сливки сбраживают, прибавляя в качестве закваски чистые («стартовые») культуры молочнокислых бактерий. Кисломолочное масло готовят из сливок, сквашенных с помощью Streptococcus lactis, S. cremoris и Leuconostoc cremoris. Образующийся в процессе брожения диацетил придает маслу специфический аромат. Закваски, содержащие Streptococcus lactis или Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, вызывают свертывание казеина при приготовлении творога и немецких сыров (гарцского и майнцского). При изготовлении твердых сыров (в отличие от сыров из кислого молока) для свертывания казеина пользуются сычужным ферментом. Молочнокислые бактерии (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) вместе с пропио-новокислыми участвуют лишь на стадии созревания сыров. Для приготовления молочнокислых продуктов в качестве заквасок тоже используются стартовые культуры молочнокислых бактерий, образующих кислоту и некоторые вещества, придающие продукту характерный запах. Ароматное пахтанье получают с помощью упомянутых выше заквасок, применяемых для приготовления кисломолочного масла. Пахтанье наряду с молочной кислотой содержит также уксусную кислоту, ацетоин и диацетил. Йогурт получают из пастеризованного гомогенизированного цельного молока, инокулированного Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus (после внесения закваски молоко выдерживают 2-3 ч при 43-45°С). Под названием биогурт в продажу поступает кислое молоко, сквашенное Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus. Кефир принадлежит к молочнокислым продуктам, содержащим кислоты и этанол; его получают из молока (коровьего, овечьего или козьего). Закваску готовят на так называемых кефирных зернах, которые состоят из пока еще не полностью изученного сообщества организмов, включающего лактобациллы, стрептококки, микрококки и дрожжи. Сквашивание молока ведут при 15-22°С в течение 24-36 ч. Для приготовления кумыса используют ослиное молоко, которое инокулируют культурой, содержащей Lactobacillus bulgaricus и дрожжи рода Torula. Чистую молочную кислоту, которая используется для различных промышленных целей и как добавка к пищевым продуктам, получают в результате брожения. Молоко или сыворотку сбраживают при помощи lactobacillus casei или L. bulgaricus. Для сбраживания глюкозы и мальтозы применяют L. delbruckii, L. leichmannii или Sporolactobacillus inulinus. Источником необходимых факторов роста служат меласса и солод. Образование кислоты в кислом тесте, используемой для его подъема, тоже обеспечивается молочнокислыми бактериями, в частности Lactobacillus plantarum и L. coryneformis. Стартовые культуры лактобацилл и микрококков применяются также для приготовления сырокопченых колбас (салями, сервелат). Образуя молочную кислоту и снижая рН, молочнокислые бактерии предохраняют от порчи те виды колбас, которые не подвергаются варке.

30.Маслянокислое брожение и его разновидности,характерные особенности возбудителей

Превращение углеводов с образованием масляной кислоты было известно давно. Природа маслянокислого брожения как результат жизнедеятельности микроорганизмов была установлена Луи Пастером в 60-х годах прошлого века. Возбудителями брожения являются маслянокислые бактерии, получающие энергию для жизнедеятельности путем сбраживания углеводов. Они могут сбраживать разнообразные вещества — углеводы, спирты и кислоты, способны разлагать и сбраживать даже высокомолекулярные углеводы — крахмал, гликоген, декстрины.

Маслянокислое брожение в общем виде описывается уравнением:

С6Н12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 20 ккал

При этом брожении накапливаются различные побочные продукты. Наряду с масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты. Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропиловый спирт.

Такое брожение может протекать в молоке и молочных продуктах, придавая им неприятные вкус и запах, характерные для масляной кислоты. Маслянокислые бактерии, вызывающие это брожение, представляют собой перитрихиально жгутованные подвижные, спорообразующие палочки, температурный оптимум их развития находится в пределах 30-40°С. Они являются строгими анаэробами и могут размножаться только при полном отсутствии кислорода воздуха или при очень незначительном его содержании. Споры, образуемые маслянокислыми бактериями, весьма устойчивы к неблагоприятным воздействиям, выдерживают кипячение в течение нескольких минут и погибают только при длительной стерилизации. Располагаются они либо в середине, либо ближе к одному из концов клетки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки.

Брожение начинается с процесса фосфорилирования глюкозы и далее идет по гликолитическому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двууглеродного соединения получается четырехуглеродная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожении происходит не только разложение веществ, но и синтез. По данным В. Н. Шапошникова, в маслянокислом брожении различаются две фазы. В первой параллельно с увеличением биомассы накапливается уксусная кислота, а масляная кислота образуется преимущественно во второй фазе, когда синтез веществ тела замедляется.

Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества. Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Маслянокислые бактерии способны сбраживать как простые сахара, так и более сложные углеводы - крахмал, пектиновые вещества и другие, а также глицерин. Эти бактерии широко распространены в природе, находясь в почве, в иле озер, прудов и болот, в скоплениях различных остатков и отбросов, навозе, загрязненной воде, молоке, сыре и т. д. Вызываемое этими бактериями брожение имеет важное значение в превращениях веществ в природе. В народном хозяйстве маслянокислое брожение может принести большой вред, так как маслянокислые бактерии способны вызывать массовую гибель картофеля и овощей, прогоркание молока и вспучивание сыров, порчу консервов и т.д. На маслянокислые бактерии подавляюще действует кислая реакция среды, поэтому там, где развиваются молочнокислые бактерии, выделяющие молочную кислоту, жизнедеятельность маслянокислых бактерий приостанавливается. Если же в заквашенных овощах медленно накапливается молочная кислота, то они могут быть испорчены в результате размножения в них маслянокислых бактерий. Эти бактерии вызывают порчу пастеризованного молока, в котором исключено молочнокислое брожение, а также сырого молока при длительном хранении его на холоде, когда деятельность молочнокислых бактерий ослаблена. Развиваясь во влажной муке, маслянокислые бактерии при­дают ей прогорклый вкус. Маслянокислое брожение находит практическое применение в производстве масляной кислоты, которая широко используется в технике.

Процессы дыхания и брожения являются основными источниками энергии, необходимыми микроорганизмам для нормальной жизнедеятельности, осуществления процессов синтеза важнейших органических соединений.

 31. Превращение азота в природе.

Круговорот азота — биогеохимический цикл азота. Большая его часть обусловлена действием живых существ. Очень большую роль в круговороте играют почвенные микроорганизмы, обеспечивающие азотистый обмен почвы — круговорот в почве азота, который присутствует там в виде простого вещества (газа — N₂) и ионов: нитритов (NO₂-), нитратов (NO₃-) и аммония (NH₄+). Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных сообществ, поскольку на эти показатели влияет состояние биоты (растений, микрофлоры), состояние атмосферы, вымывание из почвы различных веществ. Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ, губительные для других живых организмов. Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот. Таким образом, микрофлора почвы способствует поддержанию стабильности её химических показателей.