12. Кривые накопления первичных и вторичных метаболитов.

См. кривую роста

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S - образную кривую. Первая стадия - стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста, когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например, для защиты. 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.

13. Механизмы регуляции микробного метаболизма: ингибирование конечным продуктом.

Известно, что активность ферментов сравнительно легко может быть уменьшена с помощью разнообразных воздействий. Такое снижение скорости ферментативных реакций принято называть торможением активности, или ингибированием ферментов. Когда конечный продукт какого-либо метаболического пути начинает накапливаться, он может действовать как аллостерический ингибитор на фермент, контролирующий первый этап этого пути. При этом снижается сродство данного фермента к его субстрату и соответственно уменьшается или вовсе приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта. Это явление - ингибирование конечным продуктом.

14. Рост микроорганизмов на различных средах. Метаболизм метана и метанола.

Получение биогаза, основным компонентом которого (до 80--85%) является метан, - сложный бактериальный процесс, протекающий в анаэробных условиях. В нем участвуют разнообразные по физиолого-биохимическим свойствам микроорганизмы. Венцом таких ассоциаций являются метаногены -- древнейшие представители так называемых архебактерий. Как и другие архебактерии, метаногены отличаются от остальных прокариот (эубактерий) составом ряда компонентов клеток, в том числе клеточной стенкой, не содержащей муреина, а также характером липидов, в которые не входят жирные кислоты. Большую часть нейтральных липидов составляют простые эфиры глицерина и длинноцепочечного спирта фитанола.

В метаболизме метанобразующих бактерий участвует кофермент М (2-меркаптоэтансульфоновая кислота), фактор F420, представляющий собой особый флавин, и ряд других соединений, которые у остальных организмов не обнаружены или встречаются крайне редко. Но главное, что отличает метаногенов, как и других архебактерий, от остальных организмов, - это нуклеотидная последовательность в 16S рРНК, о чем свидетельствует изучение состава получаемых из нее олигонуклеотидов.

Все метанобразующие бактерии - строгие анаэробы. Некоторые из них мезофилы, другие, растущие при 60 - 80 °С и более высокой температуре, термофилы. К числу термофилов относится, например, М. thermoautotrophicum. Оптимальное значение рН для роста разных видов 6,5 - 8,0. Некоторые штаммы способны расти при наличии в среде до 5 - 7 % и более NaCl.

Как источник серы бактерии чаще всего используют сульфид, а как источник азота - аммоний. Некоторые виды нуждаются для роста в наличии дрожжевого автолизата или смеси витаминов. Известны также метанобразующие бактерии, для роста которых необходимо присутствие ацетата и (или) других органических веществ.

Но довольно многие из этих микроорганизмов могут расти в автотрофных условиях (при наличии в качестве единственного источника углерода углекислоты).

Ассимиляция углекислоты в автотрофных условиях, как показано для М. thermoautotrophicum, происходит особым нециклическим путем. Началом его является образование из углекислоты С₂-соединения в виде ацетил-кофермента А (КоА). Дальнейшее превращение ацетил-КоА включает следующие реакции:

ацетил-Ко > пируват > фосфоенолпируват > оксалоацетат > малат > фумарат > сукцинат > сукцинил-КоА > б-кетоглутарат.

Образующиеся пируват, оксалоацетат, 2-кетоглутарат используются частично для синтеза аминокислот, а фосфоенолпируват - углеводов.

Субстратами, из которых большинство известных видов метаногенов образуют метан, служат молекулярный водород и углекислота:

Ряд видов синтезируют метан из окиси углерода:

Некоторые виды образуют метан из муравьиной кислоты.

Известны метанобразующие бактерии, образующие метан из метанола, метиламина, диметиламина, триметиламина и (или) ацетата:

При превращении метилированных аминов, метанола и ацетата в метан в него переходит метильная группа субстрата.

Технологически метановое брожение подразделяют на два этапа: созревание метанового биоценоза и ферментацию. В течение первого этапа развиваются бактерии, участвующие в анаэробном разложении исходных органических веществ и продуктов их распада. В результате деятельности этих микроорганизмов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко неполную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30 - 40 °С (мезофильный процесс) или 52 - 60 °С (термофильный процесс). Ферментацию проводят в реакторах (метантенках) объемом от одного до нескольких тысяч кубических метров. Метантенки выполняются из железобетона или металла. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположены горизонтально или вертикально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Ферментация протекает непрерывно, полупериодически и периодически