МИКРОФЛОРА РАСТЕНИЙ И КОРМОВ

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 44Следующая ⇒

На растениях постоянно присутствует разнообразная микрофлора, называемая эпифитной. Наиболее часто встречаются неспоровые виды микроорганизмов: Bact. herbicola составляет до 40 % всей эпифитной микрофлоры, Ps. fluorescens - до 40, молочнокислые бактерии - 10, бифидобактерии - 2, дрожжи, плесневые грибы, маслянокислые, целлюлозные, термофильные бактерии - 8 %.

После скашивания растений эпифитная микрофлора, особенно гнилостная и термофильная, интенсивно размножаясь, проникает в толщу растительных тканей и вызывает их разложение. Поэтому продукцию растениеводства (зерно, грубые и сочные корма) предохраняют от разложения различными методами консервирования - высушиванием, силосованием и др. Сущность силосования состоит в том, что в измельченной зеленой массе интенсивно размножаются молочнокислые бактерии, разлагающие сахара с образованием молочной кислоты, количество которой накапливается до 1, 5-2, 5 % от массы силоса.

Одновременно размножаются уксуснокислые бактерии, превращающие спирт и другие углеводы в уксусную кислоту, накапливающуюся в количестве 0, 4-0, 6 % от массы силоса.

Силос сохраняется в хорошем состоянии до трех лет, пока в нем содержится не менее 2 % молочной и уксусной кислот, а рН составляет 4, 0-4, 2. Если размножение молочнокислых и уксуснокислых бактерий ослабевает, то начинают размножаться дрожжи, плесени, гнилостные, маслянокислые бактерии и силос портится.

МИКРОФЛОРА ТЕЛА ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА

Наиболее важное значение в обсеменении молока имеет микрофлора кожи и желудочно-кишечного тракта, так как она является источником основных санитарно-показательных микроорганизмов.

Микрофлора кожи животных и человека представлена стафилококками, стрептококками, микрококками, сарцинами, спорами плесневых грибов и некоторыми патогенными или условно-патогенными микроорганизмами. На коже животных при плохом уходе может находиться до сотен тысяч клеток на 1см². При ослаблении организма, повреждениях кожи данная микрофлора может вызывать гнойничковые заболевания - фурункулы, абсцессы и др.

Микрофлора желудочно-кишечного тракта неодинакова в различных его участках. Микрофлора желудка относительно бедна из-за бактерицидного действия желудочного сока, имеющего высокую кислотность. В желудке выживают споровые и кислотоустойчивые бактерии, энтерококки, молочнокислые бактерии, дрожжи, споры плесневых грибов и актиномицетов.

Микрофлора рубца жвачных животных играет важную роль в разложении клетчатки, являющейся основным компонентом грубых кормов. Разложение клетчатки происходит под действием целлюлозолитических бактерий. Рубцовое брожение грубых кормов обусловливают также простейшие инфузории, Bact. amylophilus, молочнокислые бактерии Lbm. acidophilum, Lbm. fermentum, а также бифидобактерии, энтерококки, руминококки и др.

Микрофлора рубца в основном обеспечивает расщепление белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, потребность жвачных животных в витаминах групп В и К.

В тонком отделе кишечника, несмотря на щелочную реакцию среды, количество видов микроорганизмов невелико. В этом отделе кишечника чаще всего находятся устойчивые к действию желчи энтерококки, кишечные и споровые палочки, дрожжи и молочнокислые бактерии. В толстом отделе кишечника основную массу микрофлоры составляют Е. coli, энтерококки, Cl. perfringens, ацидофильные палочки, бифидобактерии, кишечные вирусы.

Количество микроорганизмов в содержимом толстого отдела кишечника составляет несколько миллиардов клеток в 1 г. Микробная масса испражнений составляет 30-40 % сухого вещества.

Микроорганизмы толстого отдела кишечника подразделяют на три основные группы: аутохтонные, автохтонные и контаминанты.

Аутохтонные микроорганизмы являются постоянными обитателями толстого отдела кишечника. Это бифидобактерии, кишечные палочки, энтерококки, кишечные вирусы, молочнокислые бактерии и др.

Автохтонные бактерии способны заселять (колонизировать) кишечник организма хозяина в определенные периоды, что обусловлено возрастом, типом питания макроорганизма и другими факторами. Это гнилостные бактерии, дрожжи, анаэробные клостридии и др. В это время могут приобретать доминантное положение определенные группы аутохтонных микроорганизмов.

Контаминантами называют микроорганизмы, которые находятся в кишечнике непродолжительный период времени. К этой группе относится большинство патогенных микроорганизмов, часто вызывающих тяжелые диарейные заболевания.

Глава 6

РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРЕВРАЩЕНИИ ВЕЩЕСТВ

В соответствии с выполняемой функцией организмы в природе разделяются на три группы.

Зеленые растения синтезируют органические вещества, используя энергию солнца и углекислоту воздуха, поэтому их называют продуцентами .

Животные являются потребителями (консументами); они расходуют значительную часть первичной биомассы для построения своего тела.

Тела животных и растений в конце концов подвергаются разложению, при котором органические вещества превращаются в минеральные. Этот процесс, называемый минерализацией, осуществляют грибы и бактерии; в балансе природы они служат деструкторами.

Таким образом, во внешнюю среду - в почву и воду - постоянно поступают сложные органические вещества, которые непрерывно разлагаются различными микроорганизмами. При этом одновременно происходят два взаимно противоположных процесса: превращение менее сложных химических соединений в более сложные, из которых строится живая материя, и, наоборот, распад сложных соединений на более простые химические элементы.

Единство этих диалектически противоположных процессов лежит в основе биологической роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Среди различных процессов превращения веществ в природе важнейшее значение для жизни растений, животных и человека имеет круговорот азота и углерода в природе.

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Под круговоротом понимают цикл различных превращений веществ, благодаря которым запасы их в природе не уменьшаются и являются неисчерпаемыми. Азот входит в структурную формулу аминокислот и является необходимой частью белковой молекулы, поэтому он имеет исключительно важное значение для жизни на Земле. Без азота не может быть белка, а без белка — живого организма.

Запасы азота в природе неисчерпаемы, он составляет 78 % объема воздуха. Однако ни растения, ни животные не могут усваивать газообразный азот атмосферы.

Растения усваивают так называемый связанный азот почвы в виде растворов солей азотной кислоты (нитратов), используемых для синтеза белков и других органических соединений. Животные усваивают азот в форме органических соединений, т. е. в виде растительного или животного белка.

Связанный азот почвы мог бы быстро израсходоваться (в течение 100-200 лет), если бы запасы его постоянно не пополнялись за счет круговорота.

Круговорот азота в природе складывается из трех основных процессов, каждый из которых осуществляется в почве определенной группой бактерий:

• фиксация (усвоение) атмосферного азота;

• восстановление азота, включающее процессы аммонификации
(гниение);

• окисление азота (нитрификация).

Фиксация атмосферного азота. Только прокариоты способны использовать запасы азота, содержащиеся в атмосфере, фиксировать молекулярный азот. Они самостоятельно или в симбиозе с высшими растениями переводят инертный азот (N2) в органические соединения и включают его (непосредственно или через растения) в белок, который в конечном счете попадает в почву и подвергается минерализации (гниению).

Усвоение молекулярного азота атмосферы (азотфиксация) возможно с помощью двух групп азотфиксирующих микроорганизмов: свободноживущих и клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Эти микроорганизмы при помощи ферментов нитрогеназ связывают свободный азот с другими химическими элементами и синтезируют из него органические соединения своей клетки. Значение азотфиксирующих микроорганизмов очень велико, они обогащают почву связанным азотом и способствуют повышению ее плодородия.

Свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами являются крупные грамположительные анаэробные клостридии -Cl. pasteurianum, Cl. butyricum, Cl. felsineum и др., а также бактерии рода Azotobacter.

Развиваясь на средах, содержащих углеводы, клостридии разлагают их с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа и водорода. В связи с этим их называют маслянокислыми бактериями.

Бактерии рода Azotobacter представляют собой мелкие коккоподобные, подвижные, грамотрицательные аэробные палочки. В качестве источника азота могут усваивать соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. При отсутствии связанных форм азота фиксируют молекулярный азот.

Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы вносят в почву 1-3 кг азота на 1 га в год.

Большую часть азота связывают клубеньковые бактерии, которые развиваются в утолщениях (клубеньках) на корнях бобовых растений. Эти микроорганизмы ежегодно обогащают почву азотом в количестве 100-300 кг на 1 га.

Клубеньковые бактерии относят к роду Rhizobium. Это грамотрицательные, подвижные, неспорообразующие, аэробные палочки. Бактерии питаются органическими соединениями бобовых растений, а растения получают из клубеньков связанные соединения азота.

Гниение. Гниение — это микробиологический процесс, при котором под воздействием гнилостных микробов происходит гидролитическое расщепление белка с образованием промежуточных соединений (альбумоз, пептонов, аминокислот), а также дурнопахнущих веществ (индола, скатола, сероводорода, меркаптана, летучих жирных кислот и др.).

Конечным продуктом этого гидролиза и дезаминирования аминокислот является аммиак. Таким образом, в результате аммонификации белковых веществ осуществляется превращение «органического азота» в аммиачный.

Процесс распада белков называют протеолизом, так как он начинается под действием протеолитических ферментов, выделяемых микроорганизмами в окружающую среду.

Глубина расщепления белковых веществ и направление гнилостного процесса зависят от микроорганизмов и условий их жизнедеятельности, основными из которых являются температура, влажность, доступ кислорода воздуха.

При широком доступе кислорода происходит полная минерализация белковых веществ и в качестве конечных продуктов гниения образуются аммиак, углекислый газ, вода, сероводород, соли фосфорной кислоты и др. Такой процесс называют тлением.

Гниение в отличие от тления является анаэробным процессом, при котором полного окисления белковых продуктов не наступает, в результате чего помимо аммиака и углекислого газа накапливаются различные органические кислоты, спирты, амины и другие органические соединения. Одни из них придают гниющему субстрату неприятный запах, другие могут быть ядовитыми, ранее их называли птомаинами, т. е. трупными ядами.

Особенно энергично гнилостные процессы проходят в верхних слоях почвы. При этом гниение остатков растений, трупов животных и различных органических отбросов ведет к обогащению почвы азотистыми продуктами. Кроме того, этот процесс имеет большое санитарное значение, так как сопровождается естественной очисткой почвы и воды.

На процесс гниения влияет реакция среды. В кислых субстратах гнилостные микроорганизмы не развиваются и гниения не происходит.

Для сохранения продуктов от гнилостной порчи их консервируют, используя холод, посол, копчение, вяление, молочнокислое брожение, высушивание, стерилизацию, засахаривание и другие способы консервирования.

Гнилостные микроорганизмы широко распространены в природе: в почве, воде, воздухе, в кишечнике человека и животных, в молоке, мясе, на других пищевых продуктах. К ним относят бактерии, плесени, актиномицеты, обладающие способностью продуцировать протеолитические ферменты и разлагать белки.

Нитрификация. Центральное место в круговороте азота занимает аммиак. Он является продуктом разложения белков и аминокислот, попадающих вместе с остатками животного и растительного происхождения в почву. В хорошо аэрируемых почвах аммиак подвергается нитрификации.

Нитрификацией называется процесс окисления аммиака и аммиачных солей, образующихся при гнилостном разложении органических веществ, до солей азотистой, а затем азотной кислоты. Она осуществляется в два этапа.

На первом этапе нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira окисляют аммиачные соли до солей азотистой кислоты, получая при этом энергию, необходимую для их жизни.

На втором этапе нитратные бактерии рода Nitrobacter окисляют соли азотистой кислоты в соли азотной кислоты (нитраты), которые усваиваются растениями и используются для синтеза растительного белка.

В природных условиях возможны также процессы денитрификации, при которых нитраты восстанавливаются до нитритов, аммиака и молекулярного азота. Эти процессы происходят в результате жизнедеятельности бактерий родов Pseudomonas, Azotobacter, Micrococcus и др. Денитрификация ведет к понижению плодородия почвы, так как образовавшийся азот улетучивается в атмосферу.

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

Углерод является структурной основой молекул всех органических веществ. Он составляет до 50 % зольной массы клеток.

Основным источником углерода служит углекислый газ (СО₂), который содержится в атмосфере в количестве 0, 03 %. Поэтому, если бы содержание его постоянно не восполнялось, такого количества не хватило бы и на 100 лет, так как ежегодно растениями поглощаются сотни миллионов тонн СО₂

Все зеленые растения для фотосинтеза органических веществ используют СО₂ в качестве источника углеродного питания. Атмосферный углерод могут усваивать также некоторые автотрофные микроорганизмы. Животные, люди и многие микроорганизмы (гетеротрофы) усваивают углерод в виде органических соединений растительного или животного происхождения.

Атмосфера пополняется углекислым газом при вулканических извержениях, при сжигании и окислении различных веществ, а также в результате дыхания людей и животных. Однако этого количества СО₂ было бы недостаточно для развития растений и поддержания постоянной концентрации углекислого газа в атмосфере.

Поступление углекислого газа в атмосферу обеспечивается главным образом микроорганизмами, осуществляющими ферментацию (сбраживание) различных углеводов, при которой углерод органических соединений возвращается в воздух в виде углекислого газа.

Брожение - это метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления углеводов могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. При этом основным этапом биологического окисления является дегидрогенирование, при котором водород переносится не на кислород, а на промежуточные продукты расщепления субстрата, служащие акцепторами водорода. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя углекислый газ. Таким образом, брожением называют дегидрогенирование углеводов, протекающее преимущественно в анаэробных условиях.

Существует несколько видов (типов) брожения. Для молочной промышленности наибольшее значение имеют следующие виды брожения: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое, пропионовокислое и маслянокислое.

Молочнокислое брожение. В процессе молочнокислого брожения молочный сахар (лактоза) и другие сахара молочнокислыми бактериями превращаются в молочную кислоту:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → 2С₆Н₁₂О₆ → 4 С3Н4О3 + 4 Н₂ → 4 С₃Н₆О₃

Лактоза

Гексозы (глюкоза+ + галактоза)

Пировиноградная кислота

Водород (принимаемый кцептором)

Молочная кислота

При этом вначале под воздействием фермента лактазы происходит гидролиз лактозы на две частицы гексоз: глюкозу и галактозу. Затем они через ряд промежуточных продуктов превращаются в пировиноградную кислоту, а потом в молочную.

Различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение. Брожение, в результате которого в качестве основного продукта брожения образуется молочная кислота (не менее 90 %), называют гомоферментативным брожением.

При гетероферментативном брожении наряду с молочной кислотой образуются уксусная кислота, этиловый спирт, углекислый газ, ацетоин, диацетил и другие ароматические вещества.

Молочнокислое брожение широко используется в пищевой промышленности при производстве кисломолочных продуктов, сыра, при квашении капусты, посоле огурцов, мочении яблок, а также при силосовании кормов. Молочную кислоту применяют в кондитерском производстве и в производстве безалкогольных напитков.

Молочнокислому брожению подвержены не только гексозы (глюкоза, галактоза), дисахариды (лактоза, сахароза, мальтоза), пентозы (арабиноза), но также многоатомные спирты, многоосновные кислоты и даже белки. Расщепление Сахаров при молочнокислом брожении происходит без участия кислорода.

Известно большое количество молочнокислых бактерий, отличающихся друг от друга как морфологически, так и по физиологическим свойствам.

Молочнокислое брожение, обусловленное молочнокислыми бактериями, называют типичным. Возбудителями нетипичного молочнокислого брожения являются Е. coli, сапрофитные кишечные палочки рода Enterobacter, другие микроорганизмы, сбраживающие лактозу и образующие наряду с молочной кислотой янтарную и уксусную, этиловый спирт, углекислый газ, водород и другие вещества.

Спиртовое брожение. Характеризуется распадом Сахаров, чаще гексоз, до этилового спирта и углекислого газа с выделением энергии.

Наряду с этиловым спиртом и СО₂ при спиртовом брожении образуются побочные продукты, такие, как уксусный альдегид, глицерин, янтарная кислота и высшие спирты (бутиловый, изобутиловый, амиловый, изоамиловый и др.), получившие название сивушных масел. Их возникновение связано с разложением аминокислот, используемых возбудителями брожения в качестве источника азота.

Спиртовое брожение известно человечеству очень давно, однако, его природа была раскрыта в 1858 г. Пастером, который доказал, что спиртовое брожение сахаристых веществ зависит от жизнедеятельности дрожжевых клеток, способных вырабатывать специальные экзоферменты. Основным и наиболее активным ферментом дрожжей является зимаза, впервые выделенная Бухнером в 1897 г.

Способностью вызывать спиртовое брожение обладают также некоторые виды мукоровых плесневых грибов и бактерий (Sarcina ventriculi).

Каждый вид дрожжей подразделяют на расы. Расой называют разновидность микроорганизмов, которые, сохраняя все основные признаки данного вида, отличаются второстепенными, но стойкими свойствами. Обычно такими свойствами являются производственные особенности расы. Так, в спиртовом производстве применяют расы дрожжей, накапливающих в среде большое количество спирта, в пивоваренном - расы дрожжей, быстро оседающих и осветляющих пиво.

В бродильном производстве различают низовые и верховые дрожжи. Верховые дрожжи используют для брожения, протекающего при температуре 18-30 °С. В этих условиях отмечаются обильные выделения углекислого газа и пенообразование. Сами дрожжи поднимаются на поверхность бродящей жидкости. Верховые дрожжи используются чаще в спиртовой промышленности и хлебопечении. При этом чаще используют расы Saccharomyces cerevisiae.

Дрожжи низового брожения применяют для брожения при пониженной температуре 4-10 °С. Низовое брожение идет вяло, и масса дрожжевых клеток остается на дне сосуда. Дрожжи низового брожения чаще всего применяют в пивоваренной промышленности. К ним относят S. ellipsoides, S. vini и некоторые расы S. cerevisiae.

Оптимальная температура брожения 30 °С, при 50 °С брожение останавливается. Процесс брожения зависит также от концентрации сахара в среде. Лучше спиртовое брожение происходит при концентрации сахара около 15 %. Концентрации менее 10% неблагоприятны для брожения, а при концентрации 30-35% сахара оно приостанавливается. Однако некоторые дрожжи могут вызывать брожение и при содержании в среде сахара до 60 %.

Нормальной для спиртового брожения является кислая среда (рН 4, 0 или 4, 5). В щелочной среде брожение протекает с образованием глицерина и уксусной кислоты.

Техническое применение спиртового брожения очень велико. Этот процесс лежит в основе производства спирта и глицерина, вина и пива. Его используют также в хлебопечении.

Спирт, накапливающийся в процессе брожения, оказывает губительное действие на дрожжи, поэтому брожение, как правило, прекращается при содержании в среде 12-16 % спирта. Некоторые расы дрожжей могут накапливать его в среде до 17-20 %.

В пищевой промышленности используют чистые и симбиотические культуры дрожжей, обеспечивающие получение продуктов высокого качества. Дрожжи широко распространены в природе - в почве, на поверхности растений и других предметах.

Уксуснокислое брожение. Окислительный процесс, при котором с помощью уксуснокислых бактерий спирт окисляется в уксусную кислоту, называется уксуснокислым брожением. Этот процесс протекает в две фазы:

I фаза — окисление спирта до уксусного альдегида:
2СН₃СН₂ОН + О₂ = 2СН₃СОН + 2Н₂О;

Спирт Уксусный альдегид

II фаза — окисление уксусного альдегида до уксусной кислоты:
2СН₃СОН + О₂ = 2СН₂СООН.

Уксусный альдегид Уксусная кислота

Природу уксуснокислого брожения открыл Пастер, выделивший из поверхностной пленки прокисшего вина микроорганизм, названный им Mycoderma aceti (1862).

Уксуснокислые бактерии используют для приготовления пищевого уксуса. Лучшее сырье для этого — натуральное вино и яблочный сок. Иногда уксус готовят на искусственной среде, содержащей этиловый спирт. Концентрация спирта в среде не должна превышать 10-13 %.

В молочной промышленности уксуснокислые бактерии используют в составе естественной симбиотической закваски для кефира.

Пропионовокислое брожение. Это брожение вызывается пропионовокислыми бактериями, которые сбраживают молочный сахар, лактаты и молочную кислоту, образуя пропионовую, уксусную кислоты и углекислый газ. До образования молочной кислоты пропионовокислое брожение протекает аналогично гомоферментативному молочнокислому брожению. Дальнейшее сбраживание молочной кислоты происходит с образованием пировиноградной, потом уксусной и пропионовой кислот.

Пропионовокислое брожение имеет большое значение при производстве твердых сычужных сыров с высокой температурой второго нагревания.

Возбудителем пропионовокислого брожения являются анаэробные палочки рода Propionibacterium, способные ферментировать лактаты.

Маслянокислое брожение. Это процесс расщепления углеводов, а в ряде случаев жиров и белков до масляной кислоты, СО₂, Н₂ и других продуктов:

С₆Н₁₂О₆ = С₃Н₇СООН + 2 СО₂ + 2Н₂ + энергия. Масляная кислота

Биологическую сущность маслянокислого брожения открыл Пастер в 1861 г., обнаружив первого возбудителя маслянокислого брожения.

На примере маслянокислого брожения Пастер разработал учение об анаэробном дыхании некоторых микроорганизмов.

Возбудителями маслянокислого брожения являются маслянокислые бактерии, относящиеся к роду Clostridium.

В процессе брожения помимо масляной кислоты может образоваться много побочных продуктов: уксусная, молочная, пропионовая, валериановая, капроновая, янтарная, муравьиная и другие кислоты, этиловый, амиловый, бутиловый спирты и ацетон.

Маслянокислое брожение иногда происходит в молоке, сыре и других молочных продуктах, причем эти продукты приобретают прогорклый вкус и неприятный запах. Результатом маслянокислого брожения иногда являются вспучивание сыра, бомбаж жестянобаночных консервов и другие пороки.

В то же время сама масляная кислота находит широкое техническое применение. Эфиры ее употребляются в качестве ароматизирующих веществ в ликероводочном, кондитерском и парфюмерном производствах. В кожевенном деле масляная кислота с успехом заменяет молочную для удаления из кожи извести.

Глава 7

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒