Микробиология является сравнительно молодой наукой

ВВЕДЕНИЕ

Микробиология - наука о мельчайших живых существах - микро­организмах, которые широко распространены в природе. Мир микроорганизмов включает много тысяч представителей разных систематических групп: бактерии, грибы, многие водоросли и простейшие. Размеры микроор­ганизмов меньше или немного превышают разрешающую способность человеческого глаза (0,2мм), поэтому их изучение связано с использо­ванием микроскопов, а также особых методов выращивания. Большинство микроорганизмов одноклеточные, а многоклеточные фор­мы сравнительно мало дифференцированы.

Иногда к микроорганиз­мам относят вирусы, которые не имеют клеточного строения и раз­меры их так малы, что их можно увидеть лишь с помощью электрон­ного микроскопа.

Микроорганизмы играют очень важную роль в круговороте веществ на Земле (участие в круговороте углерода, в геохимических превращениях азота, фосфора, серы, железа, марганца и других элементов, в образование каменного угля, нефти, некоторых руд, торфа, в почвообразовательных процессах, способствуя повышению плодородия почв). Велика роль микроорганизмов в пищевых производствах (хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство кисломолочных продуктов и др.)

Микробиология является сравнительно молодой наукой. Начало ее развития относится к концу XVII в, когда голландский мануфактурщик Антоний ван Левенгук с помощью созданного первого простейшего микроскопа, увеличивающего предметы в 160-270 раз, впервые с большой точностью описал и зарисовал внешний вид (морфологию) микроорганизмов, обнаруженных в объектах окружающей среды. Поэтому первый период в развитии микробиологии называют морфологическим (описательным). Однако микробиология как самостоятельная наука начала формироваться лишь в середине XIX века после выдающихся исследований французского ученого Луи Пастера, который создал новое физиолого-биохимическое направление в изучении микроорганизмов, сменившее морфологическое (описательное) направление, продолжающееся на протяжении полутора веков.

Пастеру принадлежит ряд важнейших открытий в области физиологии микроорганизмов и медицины. Луи Пастер является основопо­ложником физиологического периода в развитии микробиологии. Работы Пастера имели революционное значение. Многие явления, известные человечеству с незапамятных времен, - спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожения, гниение, а также различные инфекционные заболевания, - получили свое научное объяснение, и это способствовало дальнейшему стремительному развитию науки о микроорганизмах. Большое значение в тот период имели также исследования немецкого ученого Роберта Коха. Им разработана методика получения чистых культур микроорганизмов на плотных питательных средах, что позволило выделить и изучить ряд возбудителей инфекционных заболеваний, а также полезных микроорганизмах. Л.Пастером и Р.Кохом были введены новые экспериментальные методы исследования, заложены основы микроскопии, стерилизации и пастеризации.

В последние годы микробиология развивается бурными темпами, ее достижения опираются на успехи смежных наук: общей биологии, генетики, химии, биохимии, физики, энзимологии.

Накопившееся огромное разнообразие и специфичность теоретического и практического материала позволили в настоящее время выделить в микробиологии ряд самостоятельных разделов - общей, технической, сельскохозяйственной, медицинской, водной , санитарной и многих других.

Общая микробиология изучает общих закономерности строения, развития, распространения и жизнедеятельности микроорганизмов, обмен веществ, роль в круговороте веществ в природе. В зависимости от среды обитания микроорганизмов, в которой осуществляются процессы их жизнедеятельности, из общей микробиологии выделилась геологическая микробиология, изучающая роль микроорганизмов в различных геохимических процессах; почвенная и водная микробиология, изучающие закономерности распространения и жизнедеятельности микроорганизмов в различных почвенных зонах, озерах, морях и океанах.

Сельскохозяйственная микробиология занимается изучением путей использования жизнедеятельности микроорганизмов для улучшения плодородия почвы, увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, получения консервированных кормов, улучшения роста сельскохозяйственных животных. Водная микробиология занимается изучением микроорганизмов, населяющих водоемы, методов очистки вод и др.

Изучение патогенных микроорганизмов, их специфики, взаимодействия с организмом человека, способов борьбы с ними и разработка способов профилактики инфекционных заболеваний положили начало возникновению медицинской микробиологии.

Санитарная микробиология дает санитарно-гигиеническую оценку среды обитания человека и пищевых продуктов и разрабатывающая методы их очистки от вредных микроорганизмов; эпидемиология изучает пути и способы распространения различных инфекционных заболеваний и меры борьбы с ними; ветеринарная микробиология изучает возбудителей инфекционных заболеваний животных.

Д.И.Ивановский заложил основы нового важного раздела микробиологии – вирусологии, занимающейся изучением закономерностей развития вирусов животных, растений, микроорганизмов.

Техническая, или промышленная, микробиология изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах с целью получения практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др.

На основе технической микробиологии в нашей стране создана новая отрасль народного хозяйства – микробиологическая промышленность. С помощью микроорганизмов получают многие биологически активные вещества: ферменты, ами­нокислоты, витамины, полисахариды, стимуляторы роста растений и животных, средства защиты растений, препараты для борьбы с грызу­нами и вредителями сельского хозяйства, гормоны.

Вместе с тем микроорганизмы наносят существенный вред на­родному хозяйству, вызывая порчу сельскохозяйственного сырья, раз­рушают различные промышленные материалы. Многие микроорга­низмы, попав в производство пищевых продуктов с сырьем, водой, из воздуха, с поверхности оборудования, нарушают нормальный ход тех­нологических процессов, приводят к потерям сырья, порче полуфабри­катов, снижают качество выпускаемой продукции. Патогенные микроорганизмы вызывают тяжелейшие заболевания человека, животных и растений. Многие патогенные микроорганизмы выделяют в среду, в которой развиваются, ядовитые вещества – токсины, которые вызывают пищевые отравления (например, ботулизм). Наиболее опасна особая группа токсинов (например, афлатоксины, охратоксины, патулин и др.), способная вызывать образование раковых опухолей у человека и животных.

Для борьбы с нежелательными микроорганизмами в пищевых произ­водствах регулярно осуществляются определенные мероприятия.

Таким образом, области использования микроорганизмов разно­образны и имеются большие возможности расширения и совершенствования тех­нологических процессов, основанных на применении микроорганиз­мов.

Знание особенностей биологии микроорганизмов, современных достижений микробиологии позволяет использовать микроорганизмы в малоотходных, безотходных технологиях, в замкнутых производ­ственных циклах пищевых продуктов. Знание микробиологии позво­лит сократить или вовсе устранить потери на всех стадиях производ­ства пищевых продуктов и хранения, повысить качество готовой про­дукции. Без этого невозможно осуществлять микробиологический и санитарный контроль производства, разрабатывать эффективные меры по предотвращению развития и уничтожению посторонних нежела­тельных микроорганизмов.

 

Раздел 1. Общая микробиология

Глава 1. МОРФОЛОГИЯ И КЛАСИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

 

Морфология микроорганизмов изучает форму и особенности строения клеток, способы размножения и передвижения, и др.

Морфологические признаки играют большую роль в идентифи­кации микроорганизмов и их классификации.

На основании особенностей организации клеток микроорганиз­мы подразделяют на эукариоты и прокариоты. К эукариотным микро­организмам принадлежат микроскопические грибы (в том числе и дрожжи), водоросли и простейшие. К прокариотам относятся бактерии.

Деление живых организмов на прокариоты и эукариоты базируется, прежде всего, на особенностях строения их ядерного аппарата. Клетки прокариот (от греч. «pro» - до, «karion» - ядро), «доядерных» орга­низмов, не имеют истинного ядра, их генетический мате­риал (ДНК), находящийся прямо в цитоплазме не окружен собственной ядерной мембраной. У эукариот (от греч.«eu» - настоящий, истинный, «karion» - ядро) имеется настоящее ядро, т.е. у них генетический материал обособлен от цитоплазмы двойной мембраной (ядерной оболочкой). Наряду с этим признаком имеется много других различий между прокариотами и эукариотами, которые будут рассматриваться ниже.

Отдельную группу организмов представляют вирусы, которые не имеют клеточного строения и не могут размножаться вне живой клет­ки.

Прокариоты (бактерии)

 

Известно около 4000 видов бактерий. Их разнообразие особенно выражено в отношении физиолого-биохимических свойств. В определенной степени оно проявляется и в морфологии. Большинство бакте­рий - это одноклеточные организмы, но имеются и многоклеточные.

Форма и размеры бактерий. По внешнему виду (форме) однокле­точные бактерии разделяются на три основные группы: шаровидные, палочковидные и извитые (рис.1).

Шаровидные бактерии - кокки (рис.1 а) могут быть одиночными - микрококки; диплококки соединены попарно; стрептококки образуют цепочки различной длины; тетракокки соединены по четыре; сарцины располагаются в форме правильных пакетов и образуют скопления неправильной формы, напоминающие гроздь винограда, - стафи­лококки.

Палочковидные бактерии (рис.1 б) имеют форму вытянутого ци­линдра, могут быть одиночными или соединены попарно, а также в виде цепочек из трех и более клеток. Oтношение длины клетки к ее по­перечнику у них сильно варьирует. Палочковидные бактерии являются наиболее многочисленной группой среди бактерий.

Извитые (рис.1.1в) бактерии бывают трех типов: вибрионы, спириллы, и спирохеты. Кроме этих наиболее распространенных в природе форм бактерий имеется небольшое количество нитчатых форм (рис. 1.1г). Они представляют собой многоклеточные организмы в виде нитей, состоящих из одинаковых цилиндрических или дисковых клеток, и являются типичными представителями водных организмов.

Сравнительно недавно в почве и водоемах были обнаружены но­вые формы бактерий - тороиды, шестиугольной звезды, розетки, а также клетки с выростами (простеками) и червеобразной формы (рис. 1.1 д).

Рис. 1 Формы бактерий:

а - шаровидные; б - палочковидные; в - извитые; г - нитчатые; д - новые формы;I - микрококки; 2 - стрептококки; 3 - диплококки и тетракокки; 4 - стафилококки; 5 - сарцины; 6 - палочки без спор; 7 - палочки со спорами; 8 - вибрионы; 9 - спириллы; 10 - спирохеты; 11 - тороиды; 12 - бактерии, образующие выросты (простеки); 13 - червеобразные; 14 – шестиугольные

К бактериям относится еще одна, особая группа микроорганизмов – актиномицеты, которые также не имеют истинного ядра. Их клетки в основном имеют вид тонких длинных пря­мых ветвящихся нитей (рис.1.2) и по внешнему виду похожи на клетки мицелиальных грибов. Актиномицеты обитают в воде, почве и на растительных остатках, придавая им специфический землистый запах.

Размеры бактерий ничтожно малы, поперечное сечение клеток большинства бактерий не превышает 0,5 - 0,8 мкм, средняя длина па­лочковидных бактерий от 0,5 до 3 мкм. Наиболее мелкие из бактерий - микоплазмы, не имеющие клеточной стенки, имеют размер 0,1-0,15 мкм. Объем бактериальной клетки в среднем составляет 0,07 мкм³,

масса - 5 х 10¹²г. В 1 мм³ может содержаться до 10⁹ бактериальных клеток.

В пищевых производствах основное значение имеют шаровидные и палочковидные бактерии.

Рис. 2. Актиномицеты: а - мицелии; б - спороносцы

 

Строение, химический состав и функции клеточных структур

Бактериальной (прокариотной) клетки.

Клеточная стенка придает форму клетке, предохраняет её от неблагопри- ятных внешних тепловых и механических воздействий, защищает клетку от… Химический состав и строение клеточной стенки бактерий обусловливают деление бактерий на две группы: грамположительные…

Дрожжи

Дрожжи относятся к одноклеточным грибным неподвижным организмы, не имеющим настоящего мицелия.

Дрожжи широко распространены в природе. Они обитают в основном на растениях, где имеются сахаристые вещества, которые они сбраживают (нектар цветов, сочные фрукты, ягоды, особенно перезре­лые и поврежденные, листья, стволы березы во время сокотечения и дуба во время слизетечения, почва).

Способность дрожжей сбраживать сахара в спирт использовалась еще издревле - при приготовлении хлеба, вина, пива и других напит­ков. В настоящее время выделяемый при брожении СО₂ (диоксид угле­рода) используется безалкогольной промышленностью для производ­ства безалкогольных напитков. Важными продуктами являются выра­батываемые дрожжами разнообразные органические соединения, при­дающие напиткам особый вкус и аромат. Дрожжи являются активны­ми разрыхлителями теста. Они придают хлебу особый запах и вкус.

Несовершенные дрожжи в значительных количествах используются как кормовые добавки в животноводстве. Ферменты дрожжей (инвертаза, лактаза) нашли применение в кондитерской и других отраслях пище­вой промышленности. Дрожжи являются комплексным источником водорастворимых витаминов. Некоторые компоненты, дрожжевых клеток (полисахариды, РНК и др.), как и сами дрожжевые клетки, на­ходят применение в качестве лечебных препаратов.

Форма и размеры. Клетки дрожжей имеют овальную, цилиндрическую, яйцевидную, лимоновидную, колбовидную, треугольную, стреловидную и серповидную форму. Некоторые виды дрожжей наря­ду с круглыми и овальными клетками могут образовывать удлинен­ные, а также псевдомицелий (рис.22).

Дрожжевые клетки, значительно крупнее бактериальных. Длина их

Рис.22 Формы клеток и споры дрожжей

варьирует от 2 до 20, иногда до 50 мкм, ширина от 1,5 до 10 мкм. Форма, размеры и масса дрожжевых клеток изменяются в зависимости от условий среды, в которой они развиваются, и возраста клеток. Как и все грибы, дрожжи являются неподвижными организмами.

Строение клетки. Дрожжи имеют достаточно сложную структур­ную организацию, типичную для эукариотных организмов. Они имеют сходное с мицелиальными грибами строение клетки, но имеются и не­которые различия (рис.23).

Клеточная стенка дрожжей, в отличие от грибов, на 60-70 % со­стоит из полисахаридов глюкана и маннана, связанных с белками и липидами, и лишь небольшое количество (1-3 %) составляет хитин, ко­торый вкраплен в стенку в виде гранул. У ряда дрожжей в определен­ных условиях могут образовываться слизистые капсулы различной толщины полисахаридной природы. Клетки таких дрожжей могут склеиваться друг с другом, образовывать хлопья и оседать на дно сосу­дов, в которых они развиваются.

 

Рис.23 Схема строения дрожжевой клетки:

1 - цитоплазматическая мембрана; 2 - клеточная стенка; 3 • ядрышко;

4 - ядро; 5 - жировые капли; 6 - митохондрии; 7 - вакуоль; 8 - гранулы

полифосфата; 9 - эндоплазматическая сеть; 10 - аппарат Гольджи;

11 - почковый рубец; 12 - рибосомы; 13 - цитоплазма

Клетки дрожжей, как и грибов, имеют хорошо развитый мембранный аппарат - ЦПМ, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии. Имеются вакуоли и включения запасных питательных веществ: липиды (особенно их много у дрожжей-продуцентов липидов), гликоген, метахроматин. Клеточные структуры дрожжей выполняют те же функции, что и у грибов.

Размножение и классификация.

Дрожжи размножаются вегета­тивно и спорами, образующимися бесполым и половым путем. Способ размножения является важным признаком для классификации дрожжей. Наиболее распространенным способом вегетативного раз­множения является почкование. При почковании на поверхности мате­ринской клетки возникает маленький бугорок - почка, которая посте­пенно увеличивается почти до размеров материнской клетки и превра­щается в дочернюю клетку (рис.22а,б,в).

Она отделяется от материнской, оставляя на месте прикрепления рубец. На этом месте почка больше не образуется. Может образовы­ваться одна почка (полярное почкование), две почки на разных концах материнской клетки (биполярное почкование), в нескольких местах по­верхности материнской клетки (множественное почкование). Если при почковании вновь возникающие клетки не отделяются друг от друга, то образуется псевдомицелий. Псевдомицелий характерен для пленча­тых дрожжей. Размножение почкованием характерно для дрожжей овальной и округлой формы.

Размножение делением, характерное для дрожжей цилиндри­ческой формы, встречается реже. В результате этого процесса в клетке образуется поперечная перегородка - септа.

У дрожжей лимоновидной формы наблюдается так назы­ваемое почкующееся деление, при котором на широком основании формируется почка, процесс заканчивается появлением хорошо замет­ной септы в районе перешейка.

Любому вегетативному способу размножения предшествует митотическое деление ядра, при этом одно из вновь образовавшихся ядер вместе с цитоплазмой и частью клеточных структур переходят в дочер­нюю клетку и получают возможность самостоятельно существовать.

Бесполое и половое размножение связано с формированием спе­циализированных репродуктивных структур. При половом размноже­нии их появлению предшествует слияние клеток и последующее объ­единение ядер, при бесполом размножении предварительное слияние клеток и ядер не происходит.

Половое размножение большинства дрожжей связано с образо­ванием асков (сумок) и аскоспор. Образованию аскоспор предшествует копуляция (слияние содержимого двух клеток и их ядер). Образуется зигота, в которой затем формируются споры: ядро делится мейозом, вокруг новых ядер уплотняется цитоплазма, и они покрываются плот­ной оболочкой. Такие дрожжи относятся к классу аскомицетов. Ас­коспоры могут образовывать только молодые клетки на полноценной питательной среде и перенесенные в условия голодания, плохого снаб­жения кислородом и влагой. У различных видов дрожжей в аске об­разуется 2 - 4, а иногда 8 спор. При спорообразовании замедлен обмен веществ и жизнедеятельность клеток. Такое состояние обеспечи­вает их выживаемость в условиях, неблагоприятных для вегетативного размножения.

Аскоспоры устойчивы к действию высокой температу­ры, высушиванию, но они менее термостабильны, чем бактериальные споры, и погибают при температуре 60°С. При условиях, благоприят­ных для вегетативного развития, на свежей питательной среде споры прорастают и снова размножаются вегетативно. Аскоспоры у дрожжей могут быть овальными, круглыми, бобовидными, игловидными, шлемовидными и т.д. Как и споры грибов, споры дрожжей выполняют двойную функцию: служат для перенесения неблагоприятных условий, но главное, в отличие от эндоспор бактерий, они служат для размно­жения.

Рис.24 Мицелиальные формы дрожжей: 1-псевдомицелий; 2- истинный мицелий; а - артоспоры; б – эндоспоры.

Поскольку дрожжи по существу являются одноклеточными немицелиальными грибами, они включены в классификацию грибов. В отдельную систематическую единицу они не выделены, а распределены по трем классам грибов - аскомицетов, базидиомицетов и дейтромицетов.

Для микробиологии пищевых производств имеют значение лишь аскомицетовые и несовершенные дрожжи. Между этими дрожжами имеется, принципиальное различие: у аскомицетовых дрожжей есть половой процесс, и они вызывают энергичное спиртовое брожение. Несовершенные дрожжи полового процесса не имеют и, как правило, вызывают слабое спиртовое брожение или вообще его не вызывают.

 

Аскомицетовые дрожжи включают примерно 2/3 дрожжей. Среди них наибольшее практическое значение имеют сахаромицеты, объединяющие более половины известных родов дрожжей. Особо важная роль принадлежит роду Saccharomyces, все виды которого вызывают энергичное спиртовое брожение. Дрожжи этого рода размножаются бесполым способом (почкование) и с помощью аскоспор.

В пищевых производствах наиболее широко используются два вида дрожжей этого рода: Saccharomyces cerevisiae (крупные овальные клетки) в производстве этилового спирта, пива, кваса и в хлебопечении и Saccharomyces ellpsoideus (крупные эллиптические клетки) - их используют преимущественно в виноделии. В каждом из указанных производств применяют свои, обладающие наиболее ценными производственными свойствами, специфические расы (разновидности) данных видов дрожжей.

К аскомицетовым дрожжам относятся и другие роды дрожжей. Это род Schizosaccharomyces, клетки которых имеют палочковидную форму и размножаются делением или с помощью аскоспор, образующихся в результате полового размножения. Дрожжи этого рода вызывают спиртовое брожение. Вид Schizosaccharomyces pombe используется в бродильной промышленности в странах с жарким климатом, например в Африке, где производят пиво сорта "Помбе". Дрожжи рода Saccharomycodes (сахаромикоды) имеют крупные клетки лимоновидной формы. Они размножаются почкующимся делением на обоих концах клетки (биполярно) и с помощью аскоспор, которые располагаются парами и образуются половым путем. Эти дрожжи вызывают спиртовое брожение, однако они являются вредителями в виноделии, так как образуют продукты, придающие винам неприятный прокисший запах.

Некоторые аскомицетовые дрожжи используются в микробиологической промышленности для получения липидов и витаминов.

Несовершенные дрожжи относятся к классу дейтеромицетов. Они не образуют спор, поэтому эти дрожжи часто называют аспорогенными. Размножаются они почкованием. Несовершенные дрожжи вызывают либо слабое брожение, либо не вызывают его вообще, поэтому их часто называют несахаромицетами.

Многие из них являются причиной порчи пищевых продуктов и являются вредителями ряда пищевых производств. Однако некоторые из несовершенных дрожжей нашли полезное практическое применение. Среди несовершенных дрожжей наибольшее значение имеют роды Candida, Torulopsis и Rhodotorula.

Дрожжи рода Candida имеют удлиненную форму клеток, сочетания которых образуют примитивный псевдомицелий. Многие из них не вызывают спиртовое брожение и являются вредителями в бродильных производствах (например, Candida mycoderma), так как, будучи аэробами, окисляют спирт до диоксида углерода и воды. Другие представители рода Candida являются вредителями в дрожжевом производстве, снижают качество хлебопекарных дрожжей, так как относятся к слабосбраживающим видам. Некоторые из них вызывают порчу квашенных овощей, безалкогольных и ряда других напитков и продуктов. Среди этих дрожжей имеются патогенные виды, вызывающие кандидозы, поражающие слизистые оболочки ротовой полости, носоглотки и других органов человека. Различные виды дрожжей рода Candida используются для получения кормового белка и белково-витаминных концентратов (БВК).

Дрожжи рода Torulopsis имеют мелкие круглые или овальные клетки. Многие виды способны вызывать слабое спиртовое брожение и используются в производстве кефира и кумыса. Некоторые применяются для промышленного получения кормового белка.

Дрожжи рода Rhodotorula имеют круглые, овальные или удлиненные клетки, последние образуют псевдомицелий. Колонии таких дрожжей красные и желтые благодаря наличию пигментов - каротиноидов, являющихся провитамином А. Эти дрожжи используются для промышленного получения кормовых белково-витаминных концентратов, которые служат источником жирорастворимого витамина А для животных. Другие представители этого рода накапливают в клетках много липидов и используются в микробиологической промышленности как продуценты липидов.

Вирусы

В природе имеются формы более мелкие, чем бактерии, не имеющие клеточного строения. К ним относятся вирусы и фаги, поражающие клетки животных, растений и микроорганизмов. Особенность их паразитизма заключается в том, что они действуют на генетическом уровне. Не обладая свойственной любой клетке способностью к синтезу ДНК, они внедряют в клетку свой генетический материал, в результате чего клетка начинает синтезировать вирусные частицы.

Вне клетки вирусы существуют в виде вирионов - вирусных частиц, находящихся в покоящемся состоянии. Вирионы обнаруживаются в воздухе, почве, природной сточной воде. Размер, форма и химический состав вирионов очень разнообразны. В вирусной частице различают две основные структуры: белковую оболочку - капсид и генетический материал вируса, представленный молекулой ДНК или РНК.

Вирусы, "поражающие микроорганизмы, называются фагами (буквально «фаг» - пожиратель). Бактериофаги паразитируют в клетках бактерий.

Размеры фагов колеблются от 40 до 140 нм. Бактериофаги имеют вид многогранной головки со стержнем (рис.25), покрытый снаружи белковой оболочкой. Внутри стержня имеется канал. Головка фага заполнена молекулой ДНК. У основания стержня имеется базальная пластинка с шипами и нитями.

Воздействие фага на бактериальную клетку происходит в несколько стадии: фаговая частица с помощью базальной пластинки с зубцами и нитями адсорбируется на поверхности бактериальной клетки; затем фаг действует как шприц, когда в результате сокращения головки стержень проходит через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану бактерии и впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. Фаговая ДНК перестраивает механизм обмена бактерии, в результате в ней начинают синтезироваться частицы фага. Через определенное вре­мя все содержимое клетки превращается в зрелые фаговые частицы, клеточная стенка бактерии растворяется, и фаги выходят наружу.

Рис.25 Схема строения фага: 1 – головка, содержащая ДНК; 2 – полый стержень;3 - отросток: 4 – базальная пластина; 5 - шипы и нити отростка

 

Бактериофаги наносят большой вред в молочной промышлен­ности (производстве сыров, творога, сметаны) и в производстве марга­рина. Они поражают в основном молочнокислые стрептококки заква­сок для получения этих продуктов. Под влиянием бактериофага клетки стрептококков лизируются (растворяются) и погибают. В антибиоти­ческой промышленности актинофаги лизируют производственную культуру актиномицетов - продуцентов антибиотиков.

В медицине бактериофаги применяются для лечения некоторых заболеваний, например дизентерии.

 

 

Глава 2. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ У МИКРООРГАНИЗМОВ

 

Основу жизнедеятельности любой живой клетки, в том числе и микроорганизмов, составляет обмен веществ /метаболизм/. Метабо­лизм состоит из двух типов процессов: конструктивного и энергетиче­ского обмена. В результате ряда биохимических превращений из пита­тельных веществ среды синтезируются сложные органические вещества клет­ки. Этот процесс получил название конструктивного (строительного) обмена. Для его осуществления, а также для поддержа­ния других жизненных функций (роста, размножения, движения и др.) микроорганизмам необходим постоянный приток энергии, которую они получают в результате распада поступающих в клетку питатель­ных веществ. Этот процесс называют энергетическим обменом. Конструктивный и энергетические обмены протекают одновременно и на­ходятся в тесной взаимосвязи. По объему энергетические процессы обычно превосходят биосинтетические. Взаимосвязь этих процессов метаболизма проявляется, прежде всего, в том, что суммарный объем конструктивных процессов зависит от количества доступной энергии, выделенной в ходе энергетического обмена.

Обмен веществ микроорганизмов отличается чрезвычайным раз­нообразием. Это связано со способностью микроорганизмов использо­вать для обмена веществ широкий круг органических и минеральных соединений. Такая способность обусловливается наличием у микроор­ганизмов большого разнообразия ферментов. Ферменты синтезируют­ся самой клеткой и выполняют функции катализаторов биохимических реакций, происходящих в ней. Одной из особенностей ферментов как катализаторов является строгая специфичность их действия. Многие ферменты образуют в клетке так называемые мультиферментные системы, различающиеся по сложности молекулярной организации.

На активность ферментов влияют температура, рН и другие факторы внешней среды - воздействие химических веществ среды, лучистая энергия и др. Физиологические процессы, протекающие в клетках микроорганизмов, почти полностью зависят от активности ферментов, поэтому любой фактор, действующий на фермент, будет воздействовать и на метаболизм микроорганизмов.

Каждому виду микроорганизмов свойственен определенный набор ферментов, постоянно присутствующих в клетке (т.н. конститутивные ферменты). В то же время некоторые ферменты синтезируются клеткой только тогда, когда в среде появляется соответствующий субстрат. Такие ферменты называют индуктивными.

По характеру действия ферменты подразделяются на экзоферменты, выделяемые клеткой в окружающую среду, и эндоферменты. прочно связанные с клеточными структурами (митохондриями, цитоплазматической мембраной и мезосомами) и действуют внутри клетки. И те, и другие играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов. Экзоферменты (обычно гидролазы) катализируют реакции вне клетки. К эндоферментам относятся оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные ферменты), трансферазы (ферменты переноса) и др., играющие важную роль в энергетическом обмене. Подробно ферменты рассматриваются в курсе "Биохимия".

 

Конструктивный обмен

Конструктивный обмен веществ заключается в биосинтезе основных клеточных компонентов из поступивших в клетку веществ питательной среды.…   Рис.2.1 Обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений микроорганизмами

Химический состав клеток микроорганизмов

В клетках микроорганизмов содержится 75-85% воды, остальные 15-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свобод­ном и связанном… Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ. На долю… Наибольшее значение белков имеют нуклеопротеиды - белки, связанные с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Они являются…

Потребности микроорганизмов в питательных веществах. Типы питания

Обмен веществ неразрывно связан с процессом питания микроорганизмов. Потребности микроорганизмов в питательных веществах чрезвычайно разнообразны,… По отношению к источникам углерода все микроорганизмы делятся на две большие… Кроме углерода, важнейшим элементом для синтеза белковых веществ клетки является азот. По отношению к источнику азота…

Механизм поступления питательных веществ в клетки микроорганизмов

Питательные вещества, чтобы они могли быть использованы клеткой для процессов метаболизма, должны из внешней среды попасть, внутрь клетки. Все… Поступление воды и питательных веществ из окружающей среды и выделение… Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоциации их на ионы, от рН среды, заряда…

Энергетический обмен

Совокупность окислительно-восстановительных реакций, проте­кающих в клетке, за счет которых клетка получает энергию, называется энергетическим… Большинство микроорганизмов получают энергию при реакциях окисления… Облигатные (строгие) аэробы растут только в присутствии О2. К ним относится часть автотрофов и большинство…

Источники энергии и особенности энергетических процессов у микроорганизмов

Все способы получения энергии в основном сводятся к окислению молекул восстановленных веществ и восстановлению молекул окисленных веществ. Эти… Энергетические процессы по своему объему значительно превосходят… Часть промежуточных низкомолекулярных продуктов, образующихся при энергетическом обмене, превращается в уксусную,…

Получение энергии хемогетеротрофами.

В качестве источников энергии они могут использовать широкий круг органических веществ, чаще углеводы, а также спирты (одноатомный - этиловый спирт,… Большинство хемогетеротрофов получают энергию и синтезируют углеродный скелет… Хемогетеротрофы получают энергию четырьмя способами.

Глава 3. Культивирование и рост микроорганизмов

Культивирование микроорганизмов является одним из основных методов в микро­биологии. Оно основано на знании физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов и понимании значения физико-химических условий среды для жизнедеятельности микроорганиз­мов.

Культивированием называют выращивание микроорганизмов на питательных средах в определенных условиях, а развивающийся при этом организм - культурой. Культивирование при определенной температуре называется инкубированием ( или инкубацией).

В процессе культивирования происходят рост и размножение культуры. Строго го­воря, рост - это физиологический процесс, в ходе которого увеличиваются размеры и масса од­ной популяции. В результате размножения увеличивается число особей. Чистойназывается культура, представляющая собой потомство одной клетки. В природе встречаются гетерогенные культуры, а в пищевых производствах, основанных на использовании биохимической деятельности микроорганизмов, применяют в основном чис­тые культуры дрожжей, молочнокислых, уксуснокислых бактерий и др. В последнее время в ряде производств находят успешное применение двух-, трехкомпонентные чистые культуры, состоящие из двух, трех видов микроорганизмов.

Для изучения морфологических, культуральных и физиолого-биохимических свойств любого микроорганизма из окружающей среды проводят его выделение в чистую культуру. Это дает возможность провести идентификацию микроорганизма и установить его таксономическое положение.

Выделение производят путем изолирования одной клетки микроорганизма одним из специальных приемов, затем осуществляют ее размножение на подобранной для данного мик­роорганизма питательной среде, создав элективные (избирательные) условия. Элективные ус­ловия обеспечивают преимущественное развитие выделяемой культуры и ограничивают разви­тие соответствующих микроорганизмов. Указанные условия можно создать путем использова­ния элективных сред. Перед выделением чистой культуры из какого-либо пищевого продукта или природного субстрата (почвы, воды, воздуха), в которой данный микроорганизм находится в небольшом количестве, получают накопительные культуры в элективных условиях. Внесение клеток микроорганизмов или какого-либо исследуемого материала в питательную среду для получения чистой или накопительной культур называют посевом. Перенесение выращенных клеток из одной среды в другую стерильную среду называется пересевом.

Накопительные культуры состоят преимущественно из клеток одного вида микроорганизма, так как элективные среды в сочетании с элективными условиями ограничивают развитие сопутствующих микроорганизмов.

После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Основным методом выделения чистых культур микроорганизмов до настоящего времени является метод, предложенный Р.Кохом. Разбавленную суспензию клеток накопительной культуры высевают на плотную среду с целью получения из каждой клетки отдельной колонии. Выросшая колония обычно состоит из клеток, развившихся от одной клетки, и является чистой.

Чистые культуры сохраняют в пробирках на плотной среде, периодически пересеивая их на свежие питательные среды. Другими способами хранения чистых культур микроорганиз­мов являются: хранение под слоем вазелинового масла, при низких и ультранизких температурах и в лио­филизированном состоянии. Метод лиофилизации заключается в высушивании клеток из замо­роженного состояния под вакуумом, минуя жидкую фазу (по типу сублимации). Основные за­дачи хранения микроорганизмов - поддержание их жизнеспособности, сохранение стабильно­сти таксономически важных признаков, а также определенных свойств, представляющих инте­рес для науки и практики. Проблема длительного хранения микроорганизмов сводится к созда­нию условий анабиоза, то есть к торможению процессов обмена веществ.

Работа по получению и поддержанию чистых культур промышленных микроорганиз­мов осуществляется в научно-исследовательских лабораториях, которые хранятся в коллекции музея чистых культур.

Чистые культуры рассылаются научно-исследовательскими отраслевыми институтами на предприятия. В заводской лаборатории микробиолог подготавливает культуру для производственного цикла, проверяет ее биологическую чистоту, активность.

Разведение чистой культуры осуществляют путем посева микроорганизмов из коллекционной культуры в стерильную питательную среду и включает несколько последовательных пересевов в постепенно возрастающие объемы питательной среды.

Процесс разведения состоит из двух стадий: лабораторной (разведение чистой культуры в микробиологической лаборатории) и производственной (разведение в отделении чистой культуры). После производственной стадии разведения получают технически чистые культуры в количестве, достаточном для засева производственных емкостей. В разных производствах технически чистые культуры называют по-разному: семенные, засевные, маточные культуры и т.д. Для каждого производства разработаны свои схемы разведения чистой культуры.

 

Принципы составления сред для культивирования

Микроорганизмов.

Для культивирования микроорганизмов применяют питательные среды, которые должны содержать все вещества, необходимые для их роста. Предложены сотни…  

Основные типы питательных сред

По составу принято выделять естественные или натуральные среды неопределенного состава и синтетические среды. Естественными (натуральными) называют среды, которые состоят из продуктов… Синтетические среды - это среды, в которые входят лишь соединения определенного химического состава, взятые в точно…

Способы культивирования микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов можно поводить поверхностным или глубинным, периодическим или непрерывным методами, в аэробных или анаэробных…   При культивировании поверхностным способоммикроорганизмы выращивают на поверхности плотной, сыпучей среды или в тонком…

Глава 4. Микроорганизмы и окружающая среда

Жизнь микроорганизмов непрерывно связана с окружающей средой. С одной стороны, деятельность микроорганизмов значительно изменяет окружающую среду в результате использования питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой стороны, интенсивность обменных процессов в клетке во многом зависит от условий окружающей среды. Наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой называется экологией.

Отдельные свойства среды обитания, воздействующие на микроорганизмы, называются экологическими факторами. Некоторые из них необходимы клетке, а некоторые наоборот, вредны - могут приостановить их рост и размножение, а также привести клетки к гибели. Под воздействием экологических факторов возможен и мутагенез, т.е. изменение наследственных свойств клетки.

Экологические факторы весьма многообразны и изменчивы, поэтому микроорганизмы постоянно адаптируются (приспосабливаются) к ним и регулируют свою жизнедеятельность в соответствии с их изменениями. к гибели, могут быть ликвидированы в определенных условиях и тогда способность к росту и размножению восстанавливается. Это явление называется реактивацией микроорганизмов, оно наблюдается, например, после воздействия некоторых видов лучистой энергии и высокой температуры.

Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Они подразделяются на абиотические (факторы неживой природы), биотические (факторы живой природы), и антропогенные (все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания).

По отношению к каждому фактору можно выделить три кардинальные точки. Они определяют не только интенсивность роста микроорганизмов, но и возможность их существования. Минимум – минимальное значение фактора, ниже которого рост не происходит. Максимум - максимальное значение фактора, выше которого рост микроорганизмов практически прекращается. Оптимум - оптимальное значение фактора, при котором рост микроорганизмов проявляется наиболее интенсивно.

 

Абиотические факторы.

Абиотические факторы - это физико-химические условия среды обитания. К ним относятся температура, влажность среды, осмотическое давление, различные виды лучистой энергии, концентрация водородных ионов, кислорода.

Прокариоты (бактерии) способны существовать в гораздо большем диапазоне изменений среды обитания, чем эукариоты (мицелиальные грибы и дрожжи).

Температура.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы. Психрофилы или холодолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при… Мезофилы - предпочитают средние температуры. Для них оптимум 25-400С, максимум - в пределах 45-500С. Мезофилы -…

Влажность

На жизнедеятельность микроорганизмов большое влияние оказывает влажность среды. Вода входит в состав их клеток (до 85%) и поддерживает тургорное… Микроорганизмы в зависимости от их отношения к влажности среды делятся на… Для развития микроорганизмов важна не абсолютная величина, т.е. общее содержание влаги в субстрате, а ее доступность.…

Осмотическое давление.

Для жизнедеятельности микроорганизмов большое значение имеет осмотическое давление среды, которое определяется концентрацией растворенных в ней… В зависимости от среды обитания внутриклеточное осмотическое давление у… Осмотическое давление внутри клетки микроорганизма несколько выше, чем во внешней среде. Это является условием…

Концентрация водородных ионов

В природных условиях прокариоты (бактерии) могут развиваться в диапазоне рН от 1 до 11. В зависимости от отношения к рН среды их можно разделить на… Нейтрофилы предпочитают нейтральную реакцию среды, оптимальный рН для их роста… Ацидофилы (кислотолюбивые) развиваются при оптимальном рН 4 и выше (уксуснокислые и другие бактерии, продуцирующие…

Окислительно-восстановительные условия среды.

Окислительно-восстановительные условия в среде характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом - rН21, выражающим степень аэробности… В среде, окислительные свойства которой соответствуют насыщению её кислородом,… ниже 28, то это указывает на большую или меньшую восстановительную способность среды, а выше 28 - не её окислительную…

Энергия электромагнитных излучений

К электромагнитным излучениям с разной длиной волн относятся: ионизирующие излучения (космические, рентгеновские лучи и радиоактивные излучения),…

Ионизирующие излучения.

К ним относятся космические, рентгеновские лучи и радиоактивные излучения (a-, b- , g лучи), возникающие при распаде радиоактивных… Эффект воздействия ионизирующих излучений на микроорганизмы зависит от дозы… Губительное действие ионизирующих излучений обусловлено рядом фактов. Они вызывают радиолиз воды в клетках и…

Ультрафиолетовые лучи.

Очень малые дозы облучения оказывают стимулирующее действие на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие, но не приводящие к гибели дозы… свойств микроорганизмов, вплоть до наследственных. Это используется на… нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Лазерное излучение.

Под влиянием лазерного излучения повышается температура биологических тканей, происходит коагуляция белков и разрушение клеток. Повреждающее… В настоящее время влияние этого рода излучений на микроорганизмы изучено ещё… В зависимости от природы спектра, мощности излучений и продолжительности облучения можно получить как стимулирующий,…

Свет.

Свет необходим только для фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа. Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов, даже рассеянный свет подавляет в той или иной мере их рост. Однако развитие многих мицелиальных грибов при постоянном отсутствии света протекает ненормально: хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится.

Патогенные бактерии (за редким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

 

Радиоволны.

Короткие электромагнитные волны длиной от 10 до 50 м ультракороткие длиной от 10м до миллиметров обладают стерилизующим эффектом. Это объясняется тем, что при прохождении коротких и ультрарадиоволн через среду возникают переменные токи высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты. В электромагнитом поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Характер нагревания в СВЧ-поле отличается от характера нагрева при обычных способах и обладает рядом преимуществ: объект нагревается быстро и равномерно и сразу во всех точках объёма. Так, в СВЧ-поле стакан воды закипает за 2-3 с, 1 кг рыбы варится в течение 2 мин, 1 кг мяса - 2,5 мин, курица - 6-8 мин.

Вызывая нагревание среды, СВЧ-поле действует губительно на микроорганизмы. При этом основной причиной гибели микроорганизмов является повреждение клетки под влиянием высоких температур. Однако механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы ещё окончательно не раскрыт.

СВЧ-энергия является перспективным способом тепловой обработки пищевых продуктов и может использоваться для пастеризации и стерилизации фруктовых соков, компотов и др., варки, сушки, разогрева, выпечки продукции. Имеются СВЧ-установки периодического и непрерывного действия.

Быстрота СВЧ-нагревания обеспечивает наиболее полное сохранение вкусовых и питательных свойств пищевых продуктов, а эффект воздействия на их микрофлору по сравнению с традиционными способами тепловой обработки практически одинаков.

Некоторые исследователи считают, что существует специфическое воздействие электромагнитных волн. Установлено, что СВЧ-поля малой интенсивности, не вызывающей нагревания среды, активируют некоторые физиологические и биохимические свойства микробных клеток.

Сверхвысокочастотную электромагнитную обработку пищевых продуктов всё шире применяют в пищевой промышленности и общественном питании (для варки, сушки, выпечки, при разогревании и др.).

 

Ультразвук

УЗ-колебания ускоряют многие химические реакции, вызывают распад высокомолекулярных соединений, коагуляцию белков, инактивацию ферментов и токсинов,… Среди микроорганизмов бактерии более чувствительны к действию УЗ, чем дрожжи;… Споры бактерий более устойчивы, чем вегетативные клетки.

Биотические факторы

При симбиозе (совместном существовании) микроорганизмы оказывают воздействие в основном в результате влияния продуктов своей жизнедеятельности,… Формы симбиотических взаимоотношений чрезвычайно разнообразны. Их можно…  

Ассоциативные формы симбиоза.

Метабиоз - это такой вид симбиоза, когда создаются условия последовательного развития одних микроорганизмов за счёт продуктов жизнедеятельности… Мутуализм - это сожительство, основанное на взаимной выгоде, например… Синергизм - усиление физиологических функций микроорганизмов при совместном культивировании. В молочнокислых заквасках…

Антагонистические формы симбиоза.

Антагонизм - это такой тип взаимоотношений, когда один из организмов подавляет или прекращает развитие другого в основном за счёт продуктов… Антибиоз связан со способностью одного вида микроорганизмов выделять в… Оно обладают либо широким спектром действия в отношении ряда микроорганизмов, либо избирательным действием к одному из…

Антропогенные факторы.

Этот вид экологических факторов является следствием хозяйственной деятельности человека, в процессе которой происходит загрязнение окружающей среды.… Одним из основных антропогенных факторов, неблагоприятно влияющих на… Ежегодно производятся десятки миллионов тонн разнообразных синтетических материалов, в почвы сельскохозяйственных…

Глава 5. Биохимические процессы, вызываемые хемогетеротрофами, и их использование в пищевых производствах.

 

В пищевых производствах используются процессы, основанные на жизнедеятельности хемогетеротрофов. По субстрату, на который воздействуют хемогетеротрофные микроорганизмы, все процессы можно разделить на две основные группы: превращения органических веществ, не содержащих азота (различные виды брожения и окисления); превращения органических веществ, содержащих азот (гниение).

 

Превращения безазотистых органических веществ

 

Анаэробные процессы

  Спиртовое брожение.Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, a… В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельности энергию дрожжи получают путем сбраживания моно- и дисахаридов…

Практическое использование спиртового брожения

Этиловый спирт находит широкое применение во многих отрас­лях народного хозяйства. Основными потребителями спирта являются пищевая, медицинская и… Сырьем для производства пищевого этилового спирта служат уг­леводы'… Производство спирта включает следующие основные стадии: подготовку сырья для сбраживания; сбраживание сусла; отгонку…

Молочнокислое брожение

Оно вызывается молочнокислыми бактериями и является для них единственным источником энергии. Молочнокислое брожение - это процесс превращения ими… Молочнокислые бактерии подразделяются на две группы - гомо-ферментативные и… Гомоферментативные молочнокислые бактерии из сахара обра­зуют одну молочную кислоту по следующему суммарному…

Пропионовокислое брожение

Оно вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium (рис.5.3 а). Единственным источником энергии для них является процесс сбраживания… 3С6Н12О6 --> 4СН3СН2СООН + 2СНзСООН + 2СО2 + 2Н2О + Энергия Глюкоза Пропионовая Уксусная

Маслянокислое брожение

  С6Н12О6 --> СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2 + 63 кДж Глюкоза Масляная кислота

Практические значение маслянокислого брожения

В природе маслянокислым бактериям принадлежит важная роль в круговороте углерода в природе. Масляная кислота - широко распространенный продукт… Маслянокислое брожение используют в промышленности для получения масляной… В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей, маслянокислые бактерии являются вредителями, так как…

Ацетонобутиловое брожение.

Возбудителями ацетонобутилового брожения являются анаэробные подвижные спорообразующие палочковидные бактерии рода Clostridium. В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют… Ацетон и бутиловый спирт получают и химическим синтезом.

Брожение пектиновых веществ.

В растениях, особенно в плодах, ягодах, корнеплодах содержится много пектиновых веществ. Они входят в состав срединных пластинок и склеивают между… Ферментативный гидролиз микроорганизмам энергии не дает. В анаэробных условиях… В природе (воде, почве) разложение пектиновых веществ играет большую роль в круговороте углерода за счет разложения…

Аэробные процессы.

 

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями проте­кает в две стадии. Сначала образуется уксусный альдегид, который да­лее окисляется в… В суммарном виде уравнение выглядит так: C2H5OH + О2 ---> СНзСООН + Н2О + 487 кДж Этиловый Уксусная

Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют глюкозу в глюконовую кислоту. Глюконовая кислота применяется в медицине, ветеринарии и в фармацевтической… Особый интерес представляет окисление некоторыми уксуснокислыми бактериями… Имеет также значение окисление уксуснокислыми бактериями глицерина в диоксиацетон, являющийся ценным продуктом для…

Окисление углеводов мицелиальными грибами

Наибольшее практическое значение имеет процесс получения ли­монной кислоты, которую ранее получали из лимонов, а теперь - с помощью гриба… Лимонную кислоту получают как поверхностным, так и глубин­ным методами. Дня… 2С6Н12О6+ 3О2 –-> 2С6Н8О7 + 4Н2О + Энергия

Окисление жиров и высших жирных кислот

  С3Н5(С18Н35О2)3 + ЗН2О ---> C3H5(OH)3 + 3С18Н3602 Жир (тристеарин)… кислота

Превращение органических веществ, содержащих азот

Гнилостные процессы. Гниение - это процесс глубокого разложе­ния белковых веществ микроорганизмами. Одним из конечных про­дуктов разложения белков… Белки, подобно другим высокомолекулярным соединениям, в не­изменном виде…