Предмет и задачи микробиологии

Предмет и задачи микробиологии

Микробиология - наука, изучающая мельчайшие, очень распространенные и невидимые невооруженным глазом живые организмы. Слово “микробиология” происходит от слияния трех греческих слов “микрос” (малый), “биос” (жизнь) и “логос” (наука).

Микробиология изучает морфологию - формы и строение микроорганизмов, физиологию - жизнедеятельность и закономерности развития, экологию - общие свойства и роль их в природе, а также систематику и генетику микроорганизмов, возможность их использования в хозяйственной деятельности человека.

Морфология микроорганизмов весьма разнообразна. К ним относятся бактерии, актиномицеты, водоросли, дрожжи, грибы, простейшие, вирусы и фаги. Большинство из них одноклеточны, очень редко - многоклеточны, известны формы, не имеющие клеточного строения. Размеры большинства микроорганизмов крайне малы их длина и диаметр измеряются в микрометрах (мкм, 1 мкм= 10 ^-6 м), а размеры внутренних структур - в нанометрах (1 нм = 10 ^-9 м) и ангстремах (1 Å = 10 ^-10 м).

Распространение микроорганизмов в природе очень широко, они находятся в почве, воде, воздухе, на растениях, предметах, продуктах, на поверхности тела, в желудочно-кишечном тракте и органах дыхания человека и животных. Их можно обнаружить в странах с жарким климатом и на Крайнем Севере, в пустынях и во льдах; в горячих источниках и в глубоких слоях морей и океанов.

Ничтожные размеры помогают им разноситься с токами воздуха, с пылью и насекомыми. Осы и пчёлы переносят дрожжи с одного растения или плодового дерева на другое.

Свойства микроорганизмов необыкновенно разнообразны. Они легко приспосабливаются к имеющимся источникам пищи, устойчивы к недостатку влаги, колебаниям температуры, способны очень быстро размножаться. Приспособляемость микроорганизмов чрезвычайно широка. Они могут жить в концентрированных солевых растворах, в горячих источниках, в теле растений, животных и человека.

Продовольственные товары, особенно содержащие много воды, являются хорошей питательной средой для развития микроорганизмов. На поверхности плодов и овощей постоянно находится большое количество различных микроорганизмов. Поверхность мяса обсеменяется микроорганизмами, попадающими с шерсти и кожи животного при обработке туши. Молоко представляет хорошую питательную среду, поэтому в нём всегда можно обнаружить большое количество микроорганизмов. Сок плодов и ягод и другие сахаросодержащие продукты также содержат много разнообразных микроорганизмов и быстро подвергаются порче.

Обычным местом пребывания различных микроорганизмов являются стены сырых подвалов, где конденсируются вода, пары. Такие условия обычно создаются в овощехранилищах, плохо вентилируемых и проветриваемых складских помещениях. Дрожжи и плесени способны поселяться всюду, где воздух помещений достаточно влажен, а температура поверхности предметов ниже, чем температура наружнего воздуха.

Техническая микробиология рассматривает микроорганизмы с точки зрения возможности использования их в народном хозяйстве, так как в результате биохимической деятельности некоторых из них образуются ценные продукты.

В хозяйственной деятельности человека микроорганизмы используются очень широко. Техническая микробиология создала основу для развития многих отраслей промышленности. Хлебопечение, пивоварение, виноделие связаны с деятельностью дрожжей. Получение органических кислот, кисломолочных продуктов связано с деятельностью молочнокислых бактерий; изготовление сыра - пропионовокислых бактерии; квашение, маринование овощей связано с деятельностью уксуснокислых бактерий и микроскопических грибов. С помощью микроорганизмов получают ферменты, аминокислоты, витамины, целебные лечебные препараты- антибиотики, регуляторы роста и гормоны.

Вместе с тем некоторые микроорганизмы наносят вред, вызывая порчу сельскохозяйственной продукции, многих полуфабрикатов и готовых пищевых изделий, кормов, разрушают различные промышленные материалы. Имеются группы микроорганизмов - возбудителей заболеваний человека, животных, растений.

Знание особенностей биологии микроорганизмов, современных достижений микробиологии, перспективных направлений развития биотехнологии позволяет устранять вредное действие микроорганизмов, использовать их для углубленной безотходной переработки сельскохозяйственного сырья.

Морфология микроорганизмов

Морфология и ультраструктура клеток бактерий

Морфология - наука о форме и строении организмов. Микроорганизмы различаются между собой формой, размерами, строением, свойствами. Микробная клетка окружена оболочкой, цитоплазматической мембраной, содержит цитоплазму и различные включения - органеллы. В зависимости от типа клеточной организации микроорганизмы разделяют на прокариоты (клетки, не имеющие обособленного ядра) и эукариоты (клетки с ядром, отделенным от цитоплазмы оболочкой). К прокариотам относятся бактерии, актиномицеты, сине-зелёные водоросли; к эукариотам - дрожжи, мицелиальные грибы (микромицеты ), водоросли, простейшие. Растительные и животные организмы состоят из эукариотных клеток. Большинство микроорганизмов одноклеточны и лишь некоторые имеют многоклеточное строение.

Вирусы и фаги - мельчайшие организмы, видимые только с помощью злектронного микроскопа. В отличие от других микроорганизмов, они не имеют клеточной структуры.

Бактерии - это одноклеточные организмы, окруженные плотной стенкой, размножающиеся путем прямого деления.

По внешнему виду (форме) различают 3 основные группы бактерий:

· Шаровидные бактерии - кокки (“коккус”-зерно).

· Палочковидные бактерии. Их разделяют на две группы: бактерии и бациллы. Бактерии, как правило, спор не образуют. Бациллами называют палочковидные бактерии, способные образовывать споры.

· Извитые.

В природе встречаются также бактерии необычной формы: тороидальной в виде замкнутого или незамкнутого кольца, звездоподобные, червеподобные, с выростами и др.

Размеры бактерий

Большинство шаровидных бактерий имеют диаметр от 0.5 до 2.5 мкм. Длина палочковидных бактерий колеблется от 0.5 до 3-7 мкм, диаметр - от 0.1 до 1 мкм.

Масса бактериальной клетки очень мала и приближается к 4х10^-13 г.

Форма и размеры бактерий могут изменяться в зависимости от их возраста, состава питательной среды, температуры, действия лучей и других факторов. Однако в относительно стабильных условиях бактерии сохраняют характерные размеры и форму, приобретённые ими в процессе эволюции.

Грибы

Грибы - это обширная группа растительных организмов с различными свойствами. Грибы являются низшими растениями, хлорофилла не имеют и поэтому они не способны синтезировать органические вещества из углекислого газа, как зелёные растения. Для роста и развития грибов им необходимы готовые органические вещества. В природе грибы обитают на разных субстратах: в воде, почве, на растениях и животных. Чаще всего грибы развиваются на поверхности субстрата, образуя паутиновидные сплетения, называемые плесенями. Многие грибы имеют промышленное значение и используются для получения ферментных препаратов, органических кислот, антибиотиков.

Некоторые из них вызывают порчу пищевых продуктов и товаров, а также заболевания растений, человека и животных; другие - способны вырабатывать токсичные для человека вещества- микотоксины.

Существуют грибы, которые поражают культурные растения в процессе их вегетации, нанося большой урон сельскому хозяйству; имеются грибы, патогенные для человека и животных.

Строение грибов

Тело гриба называется грибницей, или мицелием. Оно состоит из тонких, сильно разветвлённых нитей - гиф, переплетённых в виде войлока. Клетки мицелия имеют оболочку, протоплазму с различными включениями, ядра и ядрышки. От мицелия поднимаются воздушные гифы. Чаще всего грибы являются многоклеточными организмами и видны невооружённым глазом. В этом случае гифы их разделены перегородками на отдельные участки (септированы). Грибы с несептированными гифами являются одноклеточными. У этих грибов весь мицелий представляет собой как бы одну гигантскую клетку с большим числом ядер.

Тело некоторых грибов представляет собой одиночные округлые или удлиненные клетки. Эти простейшие грибы называются дрожжи.

Толщина гиф разнообразна, размер их поперечника колеблется от 5 до 15 мкм и более, гифы растут вершиной или концами разветвлений в питательной среде и на её поверхности. Из плотного переплетения гиф образуются плодовые тела с органами размножения - особыми гифами со спорами, которые поднимаются над субстратом. В жидких средах грибы также могут расти при условии достаточной аэрации.

Строение клетки гриба

Грибы имеют эукариотный тип клетки; строение её сходно с клетками других растительных организмов, но у грибов отсутствуют пластиды. Клетки большинства грибов имеют многослойную клеточную стенку, состоящую на 80-90% из полисахаридов, в небольшом количестве имеются белки, липиды, полифосфаты. Основным полисахаридом у клеточной стенки большинства грибов является хитин, у некоторых целлюлоза. Под клеточной стенкой расположена трёхслойная цитоплазматическая мембрана.

В цитоплазме находятся многочисленные органоиды - структуры различного строения и функций.

Эндоплазматический ретикулум (эндоплазматическая сеть) - мембранная система из взаимосвязанных канальцев (местами суживающихся или расширяющихся), которая пронизывает цитоплазму и связана с цитоплазматической мембраной и мембраной ядра. В этом органоиде происходит синтез многих веществ (липидов, углеводов и др.).

Аппарат Гольджи - мембранная система, связанная с эндоплазматической сетью. К его многообразным функциям относятся транспортирование веществ, синтезируемых в эндоплазматической сети, а также удаление из клетки продуктов обмена.

Рибосомы - очень мелкие, округлые многочисленные образования. Часть их находится в свободном состоянии, а часть прикреплена к мембранам. В рибосомах происходит синтез белка.

Лизосомы - мелкие округлые тельца, покрытые мембраной. В них находятся ферменты, переваривающие, (расщепляющие), поступающие извне белки, углеводы, липиды.

Ядро (или несколько ядер) окружено двойной мембраной. В нуклеоплазме имеются ядрышко и хромосомы, содержащие ДНК.

Вакуоли - полости, окружённые мембраной, заполненные клеточным соком и включениями запасных питательных веществ (волютина, гликогена, жира).

Способы размножения

Отличительной особенностью грибов является большое разнообразие у них способов и органов размножения. Один и тот же гриб часто имеет несколько форм размножения. При этом гриб может настолько менять свою внешнюю форму, что в каждой из них его рассматривают как самостоятельный вид.

Грибы размножаются вегетативным, бесполым и половым путями.

Вегетативное размножение происходит без образования каких-либо специализированных органов: частями мицелия или отдельными клетками - оидиями ( артроспорами), образующимися в результате расчленения гиф, которые на питательном субстрате разрастаются в грибницу.

При бесполом и половом размножении образуются специализированные клетки - споры, с помощью которых и осуществляется размножение.

При бесполом способе размножения споры образуются на особых гифах воздушного мицелия, внешне отличающихся от других гиф.

У одних грибов споры образуются экзогенно (открыто) - на вершине гиф, снаружи их. Такие споры называются конидиями, а гифы, несущие их, конидиеносцами.

У других грибов споры образуются эндогенно - внутри особых клеток, развивающихся на концах гиф. Эти клетки - вместилища спор называют спорангиями, находящиеся в них споры - спорангиоспорами, а гифы, несущие спорангии со спорами - спорангиеносцами.

При половом размножении грибов спорообразованию предшествует половой процесс - слияние половых клеток с последующим объединением их ядер. При этом сливаются две клетки, дифференцированные в половом отношении и имеющие в ядре одинарный набор хромосом - гаплоидные клетки. После слияния образуется клетка с двойным набором хромосом – диплоидная, в результате чего формируются специализированные органы размножения. Развитие этих органов, формы полового процесса у грибов разнообразны. У грибов с клеточным мицелием в качестве органа полового размножения образуются базидии со спорами или сумки со спорами.

Большинство грибов могут размножаться бесполым и половым путём, такие грибы называют совершенными. Некоторые грибы неспособны к половому размножению, их называют несовершенными. Специфика способов размножения и строения органов размножения используются при распознавании грибов, а также является основой их классификации.

Классификация грибов

В основу систематики грибов положены следующие основные признаки: строение мицелия, типы полового и бесполого размножения.

Основными классами грибов являются хитридиомицеты, оомицеты, зигомицеты, аскомицеты, базидиомицеты, дейтеромицеты (несовершенные грибы)

Вирусы и фаги

Вирусы отличаются от микроорганизмов меньшими размерами. Средние из них имеют размер 35-125 нм, а самые крупные 300-400 нм. Обнаруживаются только при помощи электронного микроскопа. Вирусы не являются самостоятельными организмами, т.к. они не могут расти вне клетки хозяина. Вирусы обладают небольшим набором ферментов и для их роста пригодны вещества, содержащиеся в живых клетках. Размножаясь в клетках хозяина, вирус вызывает их гибель, заражает соседние клетки.

Патогенные для животных и человека вирусы вызывают ряд болезней: натуральную и ветряную оспу, корь, бешенство, грипп, полиомиелит, ящур, жёлтую лихорадку.

Строение вирусов чаще всего симметричное - в виде палочек и многогранников. Генетический материал (ДНК или РНК) окружён белковой оболочкой, состоящей из множества идентичных частиц (субъединиц от 252 до 812), сгруппированных по законам кристаллографии. В основу классификации вирусов положен тот факт, что вирусы содержат нуклеиновые кислоты какого-нибудь одного вида - ДНК или РНК и по этому признаку разделяются на две группы.

К группе РНК- вирусов принадлежат мелкие вирусы с размером 17-30 нм, вызывающие полиомиелит, ящур, так и вирусы с более сложным строением и довольно крупными размерами 80-200 нм, вызывающие корь, грипп.

Группа ДНК- вирусов имеет совершенно другое строение. Вирус натуральной оспы имеет форму параллелепипеда и оболочку из двойного слоя белка.

Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами или просто фагами.

Физиология микроорганизмов

Физиология - это наука о питании, дыхании, росте и развитии микроорганизмов и получении энергии для осуществления этих процессов.

Знание физиологии дает возможность эффективно влиять на микробиологические процессы при хранении и переработке пищевого сырья, регулировать жизнедеятельность микроорганизмов на различных стадиях получения пищевых продуктов, управлять культивированием микробных клеток с целью синтеза биомассы или биологически активных веществ, находить способы борьбы с микробами- вредителями.

Вода

Содержание ее в вегетативных клетках составляет 70-85%, в спорах около 40-50%. Содержание воды в клетках разных микроорганизмов колеблется в зависимости от их вида, возраста, состава среды обитания. Вода имеет важное значение в жизни организма. Все вещества поступают в клетку только с водой, с ней же удаляются продукты обмена. Внутриклеточная вода находится в свободном (82-85%) и связанном состоянии (5-8%).

Свободная вода является средой для коллоидных веществ и растворителем для кристаллических органических и минеральных веществ микробной клетки. В свободной воде как в реакционной среде протекают все основные биохимические процессы. Вода включается во многие химические реакции и выделяется в процессе дыхания. Вода является источником водорода и гидроксильных ионов, а также активным преобразователем химических веществ.

Связанная вода - это структурный элемент цитоплазмы. Она прочно связана с поверхностью макромолекул (белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами). Не замерзает даже при температуре -70оС.

Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и более или менее глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает смерть клетки.

Биомасса микроорганизмов содержит 15-30% СВ. Сухие вещества состоят из органических веществ (85-98%) и минеральных веществ.

Белки

Являются основным компонентом органических веществ, содержание белков составляет (в % СВ): у бактерий-50-80; актиномицетов - 55-70; дрожжей-45-60; грибов-0-50; вирусов-40-90. Белки как конструктивный элемент входят в состав цитоплазмы, ядра, стенок, мембран и других органелл клетки и выполняют многие жизненно важные функции. Многие из белков являются ферментами - органическими катализаторами процессов обмена веществ, протекающих в клетках микроорганизмов. Лишь в некоторых случаях белки аминокислот служат энергетическим материалом или откладываются в виде метахроматиновых гранул.

Нуклеиновые кислоты

Это высокомолекулярные органические соединения, играющие важную роль в процессах роста и размножения микроорганизмов, участвующие в передаче наследственных признаков.В зависимости от того, какой углевод входит в состав нуклеиновой кислоты - дезоксирибоза или рибоза, различают дезоксирибонуклеиновую кислоту -ДНК, состоящую из аденина, гуанина, цитозина, тимина, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, и рибонуклеиновую кислоту- РНК, в состав которой входят аденин, гуанин, цитозин, урацил, рибоза и фосфорная кислота. Известны три типа РНК-матричная или информационная (мРНК), рибосомальная (рРНК) и транспортная (тРНК).

Углеводы

Как структурный элемент они входят в состав клеточных стенок, капсул, слизистых оболочек, запасных веществ. К ним относятся маннаны, глюканы, гликоген, хитин, крахмал, декстран, целлюлоза, многоатомные спирты; сахара рибоза и дезоксирибоза и др. Некоторые углеводы находятся в связанном состоянии с белками и липидами, другие - в свободном, и в этом случае они используются в качестве энергетического материала, а также для синтеза белков и жиров.

Липиды

Они находятся в клетках микроорганизмов в свободном состоянии в виде включений (резервные вещества) и в связанном, являясь строительной частью мембран и стенок. Это важный энергетический источник. Липиды состоят из нейтральных жиров и жироподобных веществ (липоидов).

Минеральные вещества

Входящие в состав клеток минеральные вещества представлены макроэлементами и микроэлементами.

К макроэлементам относятся сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо.

К микроэлементам относятся хлор, силиций, бор, цинк, медь, марганец, молибден, кобальт и др.

Минеральные вещества играют важную роль в строении макромолекул белков, нуклеиновых кислот, ферментов; влияют на направленность и скорость биохимических реакций; являются стимуляторами роста. Растворы минеральных веществ поддерживают нормальный уровень внутриклеточного осмотического давления.

Витамины

Эти органические вещества, содержащиеся в микробных клетках, входят в состав многих ферментов и являются необходимыми для нормального обмена веществ и жизнедеятельности. Потребность в витаминах и витаминоподобных веществах невелика - от 0, 1 до 5 мкг/л. Состав и содержание витаминов в биомассе зависят от вида микроорганизмов и условий выращивания.

В силу своей необходимости организму витамины относятся к так называемым факторам роста. Факторами роста являются также пурины, пиримидины и их производные ( от 10 до 20 мкг/л), используемые для построения аминокислот, и аминокислоты (от 20 до 50 мкг/л), участвующие в биосинтезе белков.

Ферменты

Эти биологические катализаторы белковой природы участвуют во всех разнообразных и многоплановых биологических процессах обмена веществ, роста, развития и размножения живых клеток. Они характеризуются высокой каталитической активностью и строгой специфичностью.

Ферменты имеют сложное строение: одни состоят только из белка, другие из белка и небелкового компонента - кофактора или простетической группы. Кофакторами являются витамины - В₁, В₂, В₆, В₁₂, С, Н, К, Е и др., в простетическую группу входят минеральные вещества (железо, медь и др.).

Активность ферментов определяется небелковым компонентом. Активность и скорость реакций зависят от различных факторов: температуры и реакции среды (рН), наличия в среде определённых химических веществ-стимуляторов ферментов или ингибиторов.

Специфичность ферментов определяется белковой частью и объясняется тем, что каждый фермент способен избирательно влиять только на определённые связи в сложных молекулах или на определённое вещество.

Каждый организм обладает определённым набором ферментов, что зависит от его физиологических свойств. Ферменты, выделяемые живыми микробными клетками во внешнюю среду и служащие для внеклеточного разложения сложных веществ среды (полисахаридов, белков, жиров и т.д.), называются экзоферментами. Ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающее пространство, прочно связанные с клеточными структурами (митохондриями, ЦПМ и др.), участвующие только во внутриклеточных процессах обмена веществ, называются эндоферментами.

Ферменты разделяют также на конститутивные (всегда присутствуют в клетке) и адаптивные (вырабатываются клеткой только в ответ на изменившиеся условия среды).

Питание микроорганизмов происходит в процессе постоянного обмена веществ между организмом и внешней средой - метаболизма.

Питательные вещества поступают в клетку из внешней среды и используются как энергетический источник.

Физические факторы

Температура

Каждая физиологическая группа микроорганизмов развивается в определённых температурных границах. В пределах этих границ для каждого вида характерны минимальная, оптимальная и максимальная температура развития.

Оптимальная температура – это температура, при которой микроорганизмы растут и размножаются наиболее интенсивно. По отношению к оптимальной температуре микроорганизмы подразделяются на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы(холодолюбивые) хорошо растут при относительно низких температурах.

Минимальная температура -7- -2^оС

Оптимальная- 15-20^оС

Максимальная- 30-35^оС

Мезофилы - любящие средние температуры.

Минимальная температура-5-10^оС

Оптимальная- 25-35^оС

Максимальная- 40-45^оС

Термофилы (теплолюбивые микроорганизмы).

Минимальная температура до 30^ОС

Оптимальная- 45-60^ОС

Максимальная- 70-80^ОС.

Микроорганизмы сравнительно легко привыкают (адаптируются) к небольшим изменениям температуры. Влияние высоких и низких температур на микроорганизмы различно. При высоких температурах нарушается коллоидное состояние цитоплазмы, происходит свёртывание (денатурация) белка, инактивация ферментных систем.

Стерилизация (обеспложивание) - полное уничтожение живых вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Её применяют для различных продовольственных продуктов, посуды, тары, инструментов, оборудования, коммуникаций. Наиболее распространён режим стерилизации при 120^ОС в течение 20 минут.

Пастеризация-нагревание продукта чаще всего при температуре 63-90^ОС. Иногда пастеризацию проводят кратковременным (в течение нескольких секунд) нагреванием до 90-100^ОС. При этом погибает большое количество живых микроорганизмов, но остаются споры и термоустойчивые бактерии. Пастеризуют молоко, фруктовые соки, вино, пиво.

К низким температурам микроорганизмы устойчивы. Некоторые виды бактерий сохраняют жизнедеятельность при температуре жидкого водорода (-253^ОС). Грибы и дрожжи температуру жидкого воздуха (-190^ОС) выдерживают несколько дней. Очень устойчивы к низким температурам вирусы.

При транспортировке и хранении скоропортящиеся продукты охлаждают до температуры 0-4 ^ОС или замораживают (-15 до -20^ОС).

Лучистая энергия

Световые лучи используются только фототрофными микроорганизмами при фотосинтезе. Прямые солнечные лучи вызывают быструю гибель большинства микроорганизмов, особенно болезнетворных. Рассеянный свет влияет на микроорганизмы слабо.

УФ-лучи обладают наибольшим микробоцидным (убивающим) действием на микроорганизмы. УФ-лучи инактивируют ферменты, вызывают изменения в молекулах белков и нуклеиновых кислот, что приводит к повреждению клеток.

Радиоактивные излучения в малых дозах стимулируют развитие микроорганизмов, в больших вызывают изменения в строении ДНК, РНК, белков, полисахаридов, разрушают клеточные структуры. Летальная доза ионизирующей радиации для микроорганизмов в сотни и тысячи раз выше, чем для высших организмов (для животных 0, 001 Мрад=1млн рад, для грибов и спор бактерий- 1-2 Мрад).

Ультразвук. Колебания частотой более 20 кГц обладают большой механической энергией и быстро разрушают клетки микроорганизмов.

Токи ВЧ и СВЧ вызывают гибель микроорганизмов вследствие теплового эффекта. При прохождении радиоволн через среду возникает переменный ток, который поглощается продуктом, электрическая энергия преобразуется в тепловую - происходит быстрый нагрев объекта.

Физико-химические факторы

Жизнедеятельность микроорганизмов возможна только при наличии в среде или продукте определённого количества свободной и доступной для них воды. Развитие бактерий возможно при влажности 25-30%.

Различают гидрофиты - влаголюбивые (бактерии и дрожжи), мезофиты-средневлаголюбивые (плесневые грибы), ксерофиты - сухолюбивые (некоторые плесневые грибы).

Для развития микроорганизмов имеет значение не абсолютная величина, а доступность содержащейся в субстрате воды, которая определяется как отношение давления водяных паров раствора (субстрата)- Р и чистого растворителя (воды)- Р_О при одной и той же температуре и называется “водная активность”. Она характеризует относительную влажность субстрата.

а_w=P/P_O

Химические факторы

К химическим факторам, оказывающим влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся: реакция среды (рН), окислительно-восстановительные условия среды (rН) и присутствие в среде ядовитых химических веществ.

Реакция среды

От степени кислотности или щёлочности среды (концентрации в ней водородных Н⁺ и гидроксильных ионов ОН^-) существенно зависит развитие микроорганизмов. Значительные колебания рН могут влиять на заряд поверхности клетки, изменять проницаемость клеточной стенки и цитоплазматической мембраны для различных молекул питательного субстрата, что, в свою очередь, вызывает нарушения питания и обмена веществ. рН среды влияет на активность экзоферментов, выделяемых микробной клеткой. Проникая из окружающей среды в цитоплазму, водородные и гидроксильные ионы могут изменять направление и интенсивность катализируемых эндоферментами биохимических процессов в клетке. Например, дрожжи в кислой среде образуют в основном этиловый спирт и небольшое количество глицерина в качестве побочного продукта; в щелочной среде выход этанола значительно снижается, но во много раз увеличивается образование глицерина.

Отношение отдельных групп микроорганизмов к реакции среды различно. Некоторые микроорганизмы развиваются в широких пределах рН, например, многие грибы живут и размножаются при рН от 1, 0 до 11. Дрожжи, молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые, группы кишечных палочек развиваются при рН 3-6. Большинство гнилостных и патогенных бактерий лучше развиваются в нейтральной или слабощелочной среде при рН 6, 5-7, 5, кислая среда для них неблагоприятна, даже губительна.

Отрицательное влияние повышенной кислотности среды на многие микроорганизмы лежит в основе квашения овощей, маринования, получения кисломолочных продуктов.

Химические вещества

Органические и неорганические вещества, которые замедляют и подавляют развитие микроорганизмов, называются антисептиками. В зависимости от других факторов (химического состава, концентрации, температуры, рН, продолжительности контакта) антисептики по-разному влияют на микробные клетки. В малых дозах они могут действовать на микроорганизмы как стимуляторы. По способу действия на клетку различают:

· антисептики, повреждающие клеточную оболочку (ПАВ, мыло, жирные кислоты);

· антисептики, разрушающие белки ЦПМ и цитоплазмы (фенол, крезол);

· разрушающие липиды клеточных мембран (спирты, эфиры);

· вызывающие инактивацию ферментов (СО₂, Н₂S, цианистые соединения);

· вызывающие гидролиз и денатурацию белков клетки (неорганические кислоты, щёлочи и формалин);

· активные окислители (хлор, озон) проникают через оболочку, деформируют её, вступают во взаимодействие с аминогруппами белков и вызывают их денатурацию. Окислители применяются для дезинфекции питьевой воды, промышленных выбросов.

На принципе антисептики основано копчение мясных и рыбных продуктов. При копчении продукты пропитываются летучими антисептическими веществами дыма или коптильной жидкости, которую применяют вместо дыма.

Биологические факторы

В естественных условиях микроорганизмы живут не изолированно, а совместно с другими живыми существами- животными, растениями, микроорганизмами. Известны следующие типы взаимоотношений между микроорганизмами: симбиоз, метабиоз, антагонизм, паразитизм.

Симбиоз - взаимно-полезное существование, когда два или более вида микроорганизмов при совместном развитии создают для себя выгодные условия. Например, совместное развитие аэробных и анаэробных микроорганизмов:

· кефир-продукт смешанного брожения дрожжей и молочнокислых бактерий;

· квас- продукт незаконченного спиртового и молочнокислого брожения;

· в «чайном грибе» имеются несколько видов уксуснокислых бактерий и дрожжей.

Паразитизм- форма взаимоотношений, при которой развитие микроорганизмов-паразитов происходит за счёт живых клеток других организмов. Паразитизм наблюдается между фагами и бактериями, фагами и актиномицетами. Паразитами являются патогенные микробы- возбудители различных заболеваний человека, животных и растений.

Антагонизм - такой вид взаимоотношений, когда один вид микроорганизмов (антагонист) неблагоприятно влияет на другие, угнетает или полностью подавляет их рост и развитие или вызывает их гибель. В основе антагонизма лежит образование микробами-антагонистами органических кислот, спиртов, щелочей и других продуктов жизнедеятельности. Антагонистическими свойствами обладают молочнокислые бактерии, подавляющие развитие гнилостных бактерий. На этом явлении основаны квашение, производство кисломолочных продуктов, сыров.

Широко распространённой формой антагонизма в мире микроорганизмов является образование специфических продуктов обмена веществ (антибиотиков), губительно действующих на другие формы микробов. По биологическому происхождению антибиотики классифицируются:

· антибиотики, выделяемые микроорганизмами - грибами (пенициллин, аспергиллин), актиномицетами (стрептомицин, тетрациклин), бактериями (субтилин, низин);

· антибиотики, образуемые высшими растениями (фитонциды), из чеснока выделен аллицин, из корней репы рапин, из листьев томатов томатин;

· антибиотики, продуцируемые животными (лизоцим, содержащийся в слюне, носовой слизи, слезах, печени, почках; эритрин, содержащийся в эритроцитах крови животных и человека).

В отличие от антисептиков, действующих на любую живую клетку, для антибиотиков характерна избирательность влияния на микроорганизмы. Каждое антибиотическое вещество действует только на определённые виды микроорганизмов и не влияет на другие, т.е. имеет свой специфический антимикробный спектр действия. Имеются антибиотические вещества широкого спектра действия (группа тетрациклинов, стрептомицины, ампициллин).

Анаэробные процессы

Спиртовое брожение.

Это процесс превращения сахара микроорганизмами в этиловый спирт и углекислый газ:

С₆Н₁₂О₆=2С₂Н₅ОН+2СО₂

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Некоторые грибы могут также вызывать спиртовое брожение, но при этом образуется очень мало спирта (всего 5-7%). Спиртовое брожение для дрожжей является способом получения энергии для дрожжей в анаэробных условиях.

На рост и развитие дрожжей и ход спиртового брожения влияют многие факторы. Питательная среда должна содержать аминокислоты, пептиды. Содержание сахара должно быть 10-15%. рН среды наиболее благоприятная для спиртового брожения 4-5. В щелочной среде направление брожения изменяется в сторону повышения выхода глицерина.

По характеру брожения дрожжи подразделяются на верховые (20-28^ОС) и низовые (5-10^ОС). Этиловый спирт неблагоприятно влияет на дрожжи, поэтому в спиртовом производстве используются спиртоустойчивые расы дрожжей.

Процесс спиртового брожения нормально протекает в анаэробных условиях, а в аэробных условиях дрожжи активно размножаются. Это используется при разведении чистой и накопительной культур дрожжей в производственных условиях.

Процесс спиртового брожения нашёл широкое применение в промышленности при производстве спирта, пива, вина.

Молочнокислое брожение.

Это превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. Различают два типа молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные (однотипные) бактерии образуют 85-90% молочной кислоты и немного побочных продуктов брожения. Общее уравнение этого типа брожения:

С₆Н₁₂О₆=2СН₃СНОНСООН

Гетероферментативные (разнотипные ) бактерии менее активные кислотообразователи. Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество побочных продуктов брожения: этиловый спирт, углекислый газ, уксусную кислоту, а иногда и ацетоин, диацетил. В зависимости от факторов внешней среды (рН, температуры, степени аэробности) состав конечных продуктов может изменяться у одного и того же вида бактерий, поэтому резкое разграничение между ними проводить нельзя.

Возбудителями молочнокислого брожения являются неподвижные, неспорообразующие молочнокислые бактерии. Круглой или слегка овальной формы. Хорошо сбраживают моносахара, но не все дисахариды. Крахмал и полисахариды не сбраживают. Очень требовательны к составу питательной среды, им нужны аминокислоты или более сложные органические соединения. Наилучшее рН 4-6, температура 25-35^ОС (мезофилы), 40-45^ОС (термофилы), выдерживают концентрации этилового спирта до 10-15%, концентрации NаCl до 10%. Некоторые способны к слизеобразованию (ацидофильная палочка).

Широко используются при промышленном производстве кисломолочных продуктов, при квашении овощей (капуста), при получении молочной кислоты.

Наиболее важное техническое значение имеют следующие молочнокислые бактерии:

· сбраживающие лактозу и размножающиеся в молоке - молочнокислый и сливочный стрептококки. Они применяются при производстве простокваши, творога, сметаны, масла;

· термофильные молочнокислые бактерии используются при производстве кисломолочных продуктов (варенец, ряженка) и диетических продуктов (ацидофилин);

12345678Следующая ⇒

Поделиться: