Лекции по биологии
Подождите немного. Документ загружается.
Семейство Enterobacteriaceae – грам-, неспорообразующие палочки, постоянные обитатели
кишечника человека и животных, много в воде и почве.
Род Escherichia
Вид E. сoli – кишечная палочка, хорошо известная в биотехнологии, карта ДНК изучена во всех
деталях, выделены эффективные плазмидные векторы. С помощью технологии рекомбинантных ДНК
используется для производства инсулина, интерферона, гормона роста. Недостаток: плохо
приспособлена к росту в крупных промышленных ферментерах; вторичные метаболиты остаются
внутри клетки, поэтому их можно получить, только разрушив клетку; наличие токсинов, которые
нужно удалять из продуктов ферментации, поэтому все чаще используются другие микроорганизмы.
Свойства кишечной палочки: мелкая подвижная палочка; ферментирует лактозу и глюкозу с
образованием кислоты и газа, устойчива к желчи, оптимальная температура – 37-40°С; при обычных
режимах пастеризации погибают.
При определенных условиях могут вызывать заболевания – колибактериозы, условно патогенная,
входит в БГКП (бактерии группы кишечных палочек) – группа санитарно-показательных
микроорганизмов, нормирующихся во всех пищевых продуктах. Критерии санитарной оценки
пищевых продуктов и др. объектов по присутствию СПМ предусмотрены ГОСТами и СанПиНами.
Использовавшийся ранее показатель бродильного титра заменен показателем отсутствия БКГП в
определенной массе продукта. Так, например, в пастеризованном молоке, ряженке БГКП должны
отсутствовать в 1г, в кефирной закваске – в 3 мл, в твороге – в 0,001 г и т.д.
Для определения БГКП используют среду Кесслер, для дифференциации используется среда
Эндо, на которой E.сoli образует красные колонии с металлическим блеском.
В это же семейство входит род Salmonella – мелкие подвижные полочки, возбудители пищевых
отравлений и инфекционных заболеваний. На среде Эндо образуют желтые колонии каплевидной
формы. Вид S.typhimurium – возбудитель тифа. В некоторых странах считаются индикаторными на
наличие патогенной микрофлоры.
Род Proteus – очень подвижные, широко распространенные, активно разлагают белок,
протеолитически и липолитически активны. Типовой вид P. vulgaris, нормируется в некоторых
белковых продуктах.
Род Shigella, виды S.sonnei, S.dysenteriae – патогенные, вызывают пищевые отравления,
бактериальную дизентерию.
11.5. Спорообразующие палочки
Семейство Bacillaceae, род Bacillus – грам+, крупные палочки, сапрофиты (кроме
сибироязвенной), обладают активными протеолитическими свойствами, не любят молочной кислоты;
продуценты протеолитических ферментов и антибиотиков; широко распространены в природе. Виды:
B.subtilis – сенная палочка, продуцент антибиотиков (субтилин и др), перспективный
объект для генноинженерных работ, продуцент рибофлавина;
B.mycoides – грибовидная палочка, колонии похожи на грибной мицелий;
B. megaterium – капустная палочка;
B. mesentericus - картофельная палочка (вызывают пороки хлеба);
B. cereus- вызывает пищевые отравления, нормируется в продуктах детского питания;
B. anthracis – сибироязвенная палочка, патогенная, возбудитель тяжелого
инфекционного заболевания, споры сохраняются в почве столетиями.
Семейство Bacillaceae, род Clostridium – мелкие палочки с характерным клостридиальным
расположением спор, строгие анаэробы.
Виды: Cl. butiricum, Cl. tyrobutiricum – возбудители маслянокислого брожения, пороков сыров и
других пищевых продуктов.
Cl. tetani - возбудитель столбняка, вырабатывает очень сильный экзотоксин.
Cl. botulinum - возбудитель ботулизма, вырабатывает самый сильный биологический яд; споры
выдерживают 5 ч кипячения, но в кислой среде не прорастают.
Cl.perfringens – вызывает токсикоинфекции.
Использование в ПБ:
Cl. thermohydrosulfuricum – синтез этанола, уксусной и молочной кислот;
Cl. thermocaccharolyticum – производство глюкозы, ксилозы, этанола, ускусной кислоты.
11.6. Применение принципов систематики на примере важнейших прокариот
Царство (Regnum) Procaryotae
Отдел (Divisio) Fotobacteria Cemobacteria
Класс (Klassis) Riccetsia Eubacteria Micoplasma
Порядок (Ordo) Eubacteriales
Семейство (Familia) Bacillaceae Lactobacillaceae Enterobacteriaceae
Род (Genus) Bacillus Lactobacillus Escherichia
Вид (Species) B. subtilis Lb.acidophilusE.coli
Подвид (Subspecies) B.subtilis subsp. mycoides
Штамм B.subtilis 2335/105 (рекомбинантный штамм, использующийся для
синтеза субалина – противовирусного анитибиотика)
12. Грибы
12. 1. Общие свойства и классификация грибов.
В настоящее время грибы относят к царству Mycota (Fungi). Наука, изучающая представителей
этого царства, называется микологией.
По внешним признакам (размеру) грибы делят на микромицеты и макромицеты. К
микромицетам (микроскопическим грибам) относятся мицелиальные грибы (плесени) и дрожжи, к
макромицетам – шляпочные грибы, грибница которых находится в симбиотических
взаимоотношениях с растениями.
Грибы – низшие эукариоты, неподвижны, в клеточных стенках у большинства обнаружен
хитин (как у насекомых), запасное питательное вещество – гликоген (как у животных). Многие как
растения способны к ветвлению и неограниченному верхушечному росту.
Способ питания – гетеротрофный, путем всасывания растворенных питательных веществ.
Способны выделять ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, во внешнюю среду, т.е.
переваривать пищу вне организма. Среди грибов известны:
o сапрофиты - извлекают питательные вещества из мертвого органического материала,
например, Mucor, Penicillium;
o паразиты делятся на облигатные (не вызывают гибели хозяев) и факультативные
(вызывают гибель); чаще паразитируют на растениях (например, головня, фитофтора), на
животных – при ослабленном иммунитете (например, Candida albicans);
o мутуалисты (в составе лишайников в симбиозе с водорослями, при образовании микоризы
как ассоциации с корнями растений).
Некоторые сапрофитные грибы могут вырабатывать вещества, которые являются токсичными
для человека и животных (например, афлатоксины в пищевых продуктах).
По отношению к кислороду аэробы, не требовательны к питательным веществам, растут
преимущественно на поверхности различных субстратов. Устойчивы к неблагоприятным условиям
среды, выдерживают низкие температуры, высокие концентрации осмотически активных веществ.
Размножаются обычно бесполым путем (делением, почкованием, с помощью экзоспор), но
периодически способны вступать в циклы полового размножения, что повышает их
приспособленность к окружающей среде.
Систематика постоянно совершенствуется, в разных источниках приводится по-разному. По
одной из последних классификаций царство Mycota делят на 2 подцарства:
o низшие грибы Myxobionta;
o высшие грибы Mycobionta.
Для низших грибов характерно наличие зачаточного или одноклеточного мицелия.
Представляет интерес класс Phycomycetes, насчитывающий около 700 видов. Представители родов
Mucor, Rhizopus, Thamnidium часто вызывают плесневение пищевых продуктов, образуя пушистый
сероватый налет, некоторые виды используются в биотехнологии для синтеза ферментов.
К высшим грибам относятся дрожжи и плесневые грибы с многоклеточным мицелием. Отдел
истинные грибы Eumycota включает 3 класса: Ascomycetes, Basidiomycetes и Deuteromycetes.
Ascomycetes – аскомицеты или сумчатые грибы, при половом размножении образуют споры
внутри специальных сумок – асков; бесполое размножение – почкованием, конидиями. К аскомицетам
относится род Saccharomyces, к которому принадлежат хлебопекарные, спиртовые, пивные, молочные
дрожжи.
Basidiomycetes – базидиомицеты, имеют хорошо развитый септированный мицелий, бесполое
размножение – конидиями, половое – базидиоспорами, к этому классу относятся макромицеты –
съедобные и несъедобные шляпочные грибы, а также некоторые паразиты хлебных злаков.
Deuteromycetes – дейтеромицеты или несовершенные грибы (Fungi imperfecti), размножаются
только бесполым путем (например конидиями, оидиями и др. экзоспосрами). Класс включает 2
порядка:
- протоасковые (в т.ч. неспорообразующие дрожжи);
- гифомицелиальные, в этот порядок входят 6 родов плесневых грибов, которые
используются в биотехнологии и являются причиной возникновения пороков пищевых продуктов:
Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Geotrichum, Catenularia.
12.2. Особенности строения и размножения мицелиальных грибов (плесеней).
Вегетативное тело плесеней состоит из гиф – разветвленных нитей диаметром 2-10 мкм. У
многоклеточных плесеней гифы состоят из отельных клеток, разделенных перегородками-септами,
тело одноклеточной плесени представляет собой одну гигантскую клетку со множеством ядер.
Совокупность (сплетение) гиф образует мицелий (септированный и несептированный). Мицелий
обычно не окрашен, цвет колонии (зеленый, черный, желтый и т.д.) придают споры.
Рост грибов осуществляется за счет кончиков гиф и может продолжаться до тех пор, пока
хватает питательных веществ. Такой тип роста называется неограниченным.
Способы бесполого размножения плесеней разнообразны:
хламидоспорами – уплотнение на гифе;
конидиоспорами (круглой формы на специальных спороносных органах, характерны для
родов Aspergillus и Penicillium);
оидиями (деление гиф на овальные споры, так размножаются плесени рода Geotrichum,
который раньше назывался Oidium);
спорангиоспорами (овальные споры, формирующиеся в мешочках – спорангиях, род Mucor,
Rhizopus, Thamnidium).
Способы полового размножения плесеней основаны на образовании особых видов спор:
аскоспор, зигоспор, базиодиоспор. Процесс полового размножения плесеней разделяют на 3 фазы:
1. Плазмогамия – слияние двух протопластов (цитоплазм); новая клетка содержит 2 ядра и
называется дикарион, ядра сливаются не сразу, может происходить цикл клеточных делений с
сохранением двухядерных клеток.
2. Кариогамия - слияние гаплоидных ядер с образованием диплоидного ядра
3. Мейоз (редукционное деление, сопровождается уменьшением числа хромосом).
Например, при размножении аскоспорами мицелий сначала образует выросты – гаметангии.
Один из них (F+) – антеридий, передает наследственную информацию, второй (F-) – аскогоний,
принимает. В оплодотворенном аскогонии ядра не сливаются сразу, при делении образуются
двухядерные гифы, затем ядра сливаются (кариогамия), происходит мейоз, образуется 8 аскоспор с
гаплоидными ядрами. В дальнейшем аски превращаются в аскокарп или прорастают и образуют
двухядерный или многоядерный мицелий.
Зигогамия (у мукора): образование на гифах утолщенных и обособленных участков
(гаметангии), слияние гаметангий с последующим слиянием ядер и образованием зиготы, прорастание
зиготы.
При созревании одного спороносного органа образуются сразу сотни спор, каждая из которых
дает начало новой плесени, этим объясняется быстрое поражение продуктов. Для размножения
плесеней оптимальными условиями являются температура 25-30С и относительная влажность воздуха
70-80%, необходим доступ воздуха.
12.3. Особенности строения и размножения дрожжей.
Дрожжи – почкующиеся грибы (бесполое размножение – почкованием), относятся к классу
аскомицетов, для которых характерно половое размножение аскоспорами (например, род
Saccharomyces) или к дейтеромицетам (дрожжи, у которых нет способности к половому размножению,
например, Torulopsis).
Форма клеток – шаровидная, яйцевидная, цилиндрическая, лимоновидная и т.п.
Классификация основана на способности к образованию асков, ложного мицелия и
почкованию. Например, дрожжи рода Endomycopsis способны к образованию всех трех элементов,
Saccharomyces - к образованию асков и почкованию, Candida - к образованию ложного мицелия и
почкования, Torulopsis - только к почкованию.
Половое размножение дрожжей протекает следующим образом: диплоидная клетка
претерпевает мейоз, в результате образуется 4 гаплоидных клетки двух типов – А и α; они могут
делиться, образуя такие же гаплоидные клетки. При слиянии клеток двух типов образуется зигота,
превращающаяся в нормальную диплоидную клетку; при слиянии однотипных получается
анормальная клетка, не способная к мейозу.
Дрожжи широко распространены в природе (в почве, на поверхности растений, особенно
плодов).
12. 4 Плесени и дрожжи в биотехнологии
Плесени используются в производстве пищевых продуктов: некоторых видов сыров (рокфор,
голубые, во Франции – около 30 видов), соусов (вносят плесень в соевый белок), красного риса
(национальные блюда), японской водки сакэ из рисового крахмала. Но чаще приносят вред: вызывают
разнообразные пороки пищевых продуктов (прогоркание масла, «коричневая пуговица» в сгущенном
молоке, плесневение хлеба), биотехнологических субстратов; некоторые виды могут вызывать
заболевания растений (спорынья, фузариоз, черная гниль), животных и человека (отравления –
микотоксикозы, «пьяная болезнь» от хлеба, грибковые поражения кожи и слизистых оболочек).
Некоторые виды плесеней используются в биотехнологии:
o Aspergillus niger – леечная плесень, черные конидии, применяется при получении лимонной,
щавелевой кислот, глюкоамилазы, антибиотиков;
o Asp. оryzae – получение амилазы, фермента для гидролиза крахмала;
o Asp. alliaceus, Pen. fuscum – производство фосфоизомеразы;
o Penicillium notatum – зеленая кистевидная плесень, первый антибиотик пенициллинбыл
получен Флемингом именно из этой плесени, сейчас с этой целью чаще используют
генетически модифицированный вид Pen. chrysogenum;
o Pen. roqueforti, Pen. camamberti – в сыроделии.
Дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae используется человечеством с древних времен в
хлебопечении, пивоварении, спиртовом производстве; аэробные, но способны сбраживать сахара в
анаэробных условиях с образованием спирта и углекислого газа, путем аэрации этот процесс
подавляют. В хлебопечении (в основном для ржаного хлеба) также используется другой вид этого
рода - Sacch. minor.
Примеры применения других видов дрожжей в биотехнологии:
o Sacch. lactis, Torulopsis kefiri входят в состав симбиотической кефирной закваски;
o Sacch. vini – винные дрожжи, виноделие;
o Kluyveromyces fragilis – получение этанола из молочной сыворотки;
o Candida lipolitica – синтез лимонной, пировиноградной кислоты, получение кормового белка.
o Kluyveromyces marxianus – синтез инвертазы.
o Blakeslea trispora – продуцент ликопина, эргостерина
13 Вирусы
13.1. История развития вирусологии.
Болезни животных и растений, вызываемые вирусами, известны с глубокой древности.
Эпидемии оспы, гриппа – испанки, полиомиелита, кори, свинки, ящура уносили миллионы жизней,
опустошая города и страны. Но люди не знали причин эпидемий, и считали это наказанием богов.
Первооткрывателем вирусов считается русский ботаник Дмитрий Иванович Ивановский. В
1892 году, изучая мозаичную болезнь табака, он установил, что она вызывается возбудителем,
который способен проходить через бактериальные фильтры, т.е. по размеру меньше бактерий.
Вирусами (от лат. слова вирус – яд) новые существа были впервые названы голландским
микробиологом Бейеринком в 1899 году. Бейеринк впервые описал принципиальные различия между
бактериями и вирусом табачной мозаики. Однако увидеть их было в то время невозможно – не
позволяла разрешающая способность оптического микроскопа.
В конце 19 века было также обнаружено заразное (инфицирующее) действие фильтратов
пораженных болезнями тканей животных, но ученые считали, что это токсин.
В 1915 году Творт описал стекловидные колонии микрококков, которые были поражены
каким-то невидимым агентом (бактериофагом). Позже, в 1919 году, Д´Эрель подсчитал их частицы по
бляшкам, которые появляются на колониях.
В 1933 году Шлезингер впервые наблюдал и подсчитал в темном поле частицы бактериофагов
капустной палочки.
В 1941 Руска опубликовал первые снимки вирусов, сделанные с помощью электронного
микроскопа. С этого времени вирусология как наука стала быстро развиваться.
В 50-е годы 20 века было изучено явление лизогении, а также было обнаружено, что фаги
способны захватывать часть генетической информации бактериальной клетки. Это было в дальнейшем
использовано в генетической инженерии.
В настоящее время изучены тысячи различных вирусов, особенно патогенных. Их даже
научились использовать (в генетической инженерии как векторы – переносчики генов, в медицине –
кишечный бактериофаг). Лечить вирусные заболевания трудно (обычно только симптоматически),
антибиотики не действуют. Чем опасны? Вирус проникает в клетку, захватывает управляющие центры
(ДНК) клетки и перестраивает ее работу на синтез нужных ему веществ – РНК, белков. У вируса
простенькая программа, записанная в нескольких десятках генов, однако он способен заставить клетку
работать на себя.
Вирусы способны размножаться в чужих клетках, но сами не имеют клеточного строения.
Гипотезы о происхождении вирусов различны. Возможно, они являются результатом дегенерации
прокариотической клетки. В то же время это пример биологического прогресса, т.к. такое упрощение в
строении сопровождалось увеличением приспособленности и расширением ареала жизненного
пространства: везде, где есть клетки, возможно существование вирусов.
13.2. Классификация и морфология вирусов.
Относятся к отдельному царству Vira (империя неклеточные).
В основе классификации: тип нуклеиновой кислоты (2 подцарства: рибовирусы и
дезоксивирусы), ее молекулярная масса, процентное содержание, форма вирусной частицы, число
структурных субъединиц в белковой оболочке, тип симметрии. В настоящее время вирусы делятся на
19 семейств (12 РНК, 7 ДНК).
Односпиральные РНК-вирусы (11 семейств): ретровирусы, парамиксовирусы,
ортомиксовирусы, рабдовирусы, тога-, бунья-, пикорна-, корона-, арена-, калици-, флави- вирусы.
Двуспиральная РНК: реовирусы.
Двуспиральная ДНК: покс-, герпес-, адено-, папова-, иридо-, гепадна- вирусы.
Односпиральные ДНК: парвовирусы.
Особенности морфологии вирусов: не имеют клеточного строения, очень малые размеры (от
20нм вирус полимиелита до 350 нм вирус оспы), облигатные внутриклеточные паразиты, не имеют
собственных метаболических систем; содержат генетическую информацию, которую передают
потомству (от 6 до нескольких сотен генов).
По форме вирусных частиц (вирионов) различают:
шаровидные (вирус гриппа);
кубоидальные (оспы);
палочковидные (мозаичная болезнь табака, картофеля);
сперматозоидные (многие бактериофаги);
пулевидные (вирус бешенства);
нитевидные (колифаги).
Общие принципы строения вирусов: в центре – нуклеиновая кислота, вокруг – оболочки.
Первая – капсид, состоит из повторяющихся белковых субъединиц (капсомеров), располагающихся в
определенном порядке, который определяет тип симметрии: спиральный, кубический,
комбинированный. У сложных вирусов имеется вторая наружная оболочка (суперкапсид) с
выступами-шипами.
Строение типичного бактериофага: шаровидная или икосаэдрическая головка с ДНК, покрытая
капсомерами, и отросток, представляющий собой полый стержень, покрытый белковой оболочкой,
заканчивающийся шипами и нитями, с помощью которых фаг прикрепляется к поверхности клетки.
13.3. Размножение вирусов.
Вирусы способны размножаться только в клетке организма-хозяина (облигатные
внутриклеточные паразиты, высокоспецифичны). Различают вирусы - паразиты растений, животных,
бактерий (бактериофаги, фаги).
Если фаги способны поражать только определенный штамм бактерий, их называют типовыми,
только вид – монофагами, разные виды – полифагами.
Процесс репродукции вируса можно разделить на 6 стадий (плакат):
1. Стадия адсорбции – прикрепление вируса к поверхности восприимчивой клетки.
2. Стадия инъекции – вирус впрыскивает свою нуклеиновую кислоту (у фагов) или
проникает сам и сбрасывает белковую оболочку (например, вирус гриппа).
3. Стадия репликации вирусной нуклеиновой кислоты – за счет нуклеотидов хозяина.
4. Стадия синтеза белков, специфичных для вируса (структурных и ферментов, в рибосомах
хозяина)
5. Стадия сборки (самоорганизации) вирусов (образование комплексов НК и белков,
оболочек, зрелых вирионов)
6. Стадия лизиса клетки – хозяина под действием ферментов фага.
Разрушение клетки-хозяина не всегда присходит сразу. Различают три типа взаимодействия
вируса с клеткой:
- продуктивный (в зараженной клетке последовательно проходят все этапы, она
разрушается, образуется новое поколение вирусов), такие вирусы называют агрессорами;
- интегративный (вирусная ДНК встраивается в хромосому клетки-хозяина и после
редупликации передается новым клеткам, они становятся лизогенными), такие вирусы называются
комменсалами (профаги или умеренные фаги), они не разрушают клетку сразу. При ослаблении
клетки (механизм полностью не раскрыт) вирус приобретает агрессивность.
13.4. Бактериофагия в биотехнологической промышленности
Бактериофаги разрушают полезные микроорганизмы (заквасок, бакпрепаратов) в пищевой и
биотехнологической промышленности.
Причина: высокая скорость размножения бактериофагов при благоприятных условиях (большое
обсеменение сырья, сан-гигиеническое состояние производства), высокая устойчивость к действию
температуры, рН, высушиванию.
Наиболее подвержены действию бактериофагов кокки, палочки более устойчивы, однако
наблюдается опасная тенденция к полифагии. Фагорезистентность контролируется как основной ДНК,
так и плазмидами, и может быть изменена
Косвенные показатели фаголизиса: внезапное прекращение нарастания кислотности, низкая
кислотность субстрата, невыраженный вкус закваски или продукта.
Для борьбы с бактериофагами используют различные методы:
- подбор многовидовых и многоштаммовых заквасок (культур);
- постоянная ротация (замена) заквасок;
- создание фагорезистентных культур и заквасок с использованием методов генной
инженерии (созданы коллекции бактериофагов, которые используются в селекционной работе при
проведении тестов на фагорезистентность);
- соблюдение правил санитарии и гигиены, особенно мойки и дезинфекции оборудования,
стен и т.п.
Обнаружение и идентификация – на основе обнаружения патогенного действия, образования
внутриклеточных включений или бляшек на колониях. Так, например, в питьевой воде нормируется
показатель наличия коли-фагов, измеряется в БОЕ – бляшкообразующих единицах.
Культивирование вирусов проводят на биологических объектах – в организме лабораторных
животных, в куриных эмбрионах, в культурах клеток, в т.ч. бактериальных, или тканей.
Обнаружение и идентификация – на основе обнаружения патогенного действия, образования
внутриклеточных включений или бляшек на колониях. Так, например, в питьевой воде нормируется
показатель наличия коли-фагов, измеряется в БОЕ – бляшкообразующих единицах (зоны лизиса на
колониях кишечной палочки).
14. Особенности метаболизма, размножение и культивирование микроорганизмов
14.1 Классификация микроорганизмов по типу питания
Микроорганизмы, как и все живые существа, в зависимости от источника углерода относятся к
автотрофам или гетеротрофам.
В зависимости от источника энергии микроорганизмы делятся на фототрофы (используют
энергию Солнца, например, цианобактерии) и хемотрофы (используют энергию химических реакций,
например, серобактерии, нитрифицирующие, железобактерии).
В зависимости от источника электронов в энергетическом процессе микроорганизмы делятся на
литотрофов (источник электронов – неторганические вещества) и органотрофов (органические
вещества).
Таким образом, можно выделить 8 сочетаний типов энергетического и конструктивного
метаболизма прокариот. Большинство изученных прокариот относится к группе
хемоорганогетеротрофов, среди фотосинтезирующих – к группе с фотолитоавтотрофным
питанием. Однако обнаружены и микроорганизмы с хемолитоавтотрофией (например, водородные
бактерии), хемолитогетеротрофией (метанобразующие архебактерии), фотоорганоавтотрофией
(некоторые пурпурные бактерии) и др. необычными путями метаболизма. Некоторые микроорганизмы
способны использовать разные источники электронов или энергии.
Микроорганизмы - гетеротрофы делятся также на группы:
- сапрофиты (метатрофы), питающихся мертвой тканью животных и растений (например,
Bacillus mesentericus – картофельная палочка);
- паразиты (паратрофы), которые живут за счет органики живых организмов (иногда
являются возбудителями инфекционных заболеваний (например, Mycobacterium tuberculosis –
туберкулезная палочка).
В зависимости от источника азота микроорганизмы также делятся на группы:
- аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических веществ (азотфиксирующие
почвенные клубеньковые бактерии; нитритно-нитратные – окисляют аммиак до солей азотистой и
азотной кислот);
- аминогетеротрофы используют органические источники азота – дезаминирующие
(усваивают только аминокислоты), пептонизирующие (только пептоны), протеолитические или
гнилостные (расщепляют белки, способны выделять экзоферменты во внешнюю среду).
В зависимости от особенностей метаболизма выделяют также группу прототрофов – бактерий,
способных синтезировать все соединения из глюкозы как единственного источника С и из солей
аммония как единственного источника азота; все остальные – ауксотрофы.
14.2 Энергетические процессы у микроорганизмов. Виды брожений
Энергия нужна клетке для синтеза различных веществ, для осуществления движения и для
поглощения веществ из окружающей среды (по механизму активного транспорта). Получение энергии
обеспечивается процессами катаболизма – расщепления и окисления веществ, причем для
микроорганизмов, как и для других живых существ, универсальным переносчиком энергии является
АТФ.
Существуют два принципиально разных пути синтеза АТФ в клетке:
o субстратное фосфорилирование, реакции осуществляются в растворах;
o мембранное (окислительное или фото-) фосфорилирование – перенос электронов по
электронтранспортной цепи (ЭТЦ), при этом субстраты окисляются постепенно, характерен
для аэробных условий, синтез АТФ осуществляется на мембране.
Центральным амфиболитом считается глюкоза. Из трех известных путей первого этапа
окисления глюкозы в пируват два - гликолиз и кетодезоксифосфоглюконатный путь - встречаются у
микроорганизмов; третий, пентозофосфатный путь распространен у растений, а у микроорганизмов
играет вспомогательную роль. Дальнейшее преобразование пирувата в ацетил-КоА у
микроорганизмов может происходить по четырем различным механизмам, после чего ацетил-КоА
поступает в окислительные циклы (прежде всего, цикл трикарбоновых кислот) или участвует в
процессах брожений.
Брожением называют бескислородные превращения пирувата, при которых АТФ образуется в
процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного
фосфорилирования.
Микроорганизмы могут вызывать разные виды брожений, например:
- молочнокислое гомоферментативное брожение (Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus),
общее уровнение:
С
6
Н
12
О
6
2 С
3
Н
6
О
3
(+2АТФ);
- спиртовое (дрожжи Saccharomyces cerevisiae)
С
6
Н
12
О
6
2 С
2
Н
5
ОН +2 СО
2
(+2АТФ);
- уксуснокислое, пропионовокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое муравьинокислое и др.
Известны также типы гетероферментативных брожений, при которых набор конечных
продуктов может быть различным как в качественном, так и в количественном отношении. Например,
некоторые клостридии и энтеробактерии могут образовывать аетат, этанол, СО
2
или лактат;
бифидобактерии образуют лактат и ацетат; гетероферментативные лейконостоки – ацетат, фцетоин,
этанол, СО
2
и т.д.
14.3 Особенности размножения бактерий.
В результате поступления питательных веществ и процессов ассимиляции происходит
увеличение массы и размеров микроорганизмов, т.е. их рост. Достигнув определенной фазы роста и
зрелости, клетка начинает размножаться.
Бактерии размножаются путем равновеликого бинарного поперечного амитотического
деления, в котором можно выделить 3 стадии:
Редупликация – начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к
цитоплазматической мембране.
Синтез мембраны в области контакта ДНК с мембраной → разделение, растаскивание
молекул ДНК и оформление обособленных хромосом.
Образование поперечной перегородки (септа у грам+, перетяжка у грам-) от периферии
клетки к центру и разделение клетки на 2 дочерних.
Существуют и особые формы размножения, редко встречающиеся у бактерий: почкование,
множественное деление у цианобактерий, образование экзоспор и фрагментация мицелия у
актиномицет, образование плодовых тел и миксоспор у миксобактерий и др.
У бактерий известен также половой процесс – конъюгация, при которой наследственная
информация в виде участка ДНК или плазмиды передается от одной клетки к другой.
Скорость размножения зависит от вида микроорганизма, возраста культуры, состава
питательных сред, температуры, наличия кислорода, ростовых факторов и т.д. Время генерации
кишечной палочки – 20-30 мин, нитрифицирующих – 5-10 ч, туберкулезной палочки – 18-24 ч.
Если бы клетки делились постоянно, то одна кишечная палочка в течение двух суток дала бы
потомство, масса которого превысила бы массу земного шара. Однако этого не происходит. Что
ограничивает размножение? Недостаток питательных веществ, образование токсичных метаболитов и
др. факторы.
Рассмотрим закономерности размножения микроорганизмов в ограниченной объеме жидкой
питательной среды, т.е. в статических условиях.
14.4 Закономерности развития микроорганизмов в статике (фазы роста)
Развитие микроорганизмов в статических условиях ограничено определенным объемом
питательной среды. Закономерности характерны для периодического культивирования и могут быть
отражены на графике зависимости логарифма количества клеток от времени культивирования.
Выделяют 4 фазы роста:
1. Начальная фаза (лаг-фаза) – время приспособления (адаптации) микроорганизма к
питательной среде, размножения клеток не наблюдается. Начинается синтез необходимых ферментов
(механизм регуляции синтеза белка). Продолжительность фазы зависит от видовых особенностей,
количества и возраста (активности ферментных систем) клеток, состава питательной среды, условий
культивирования. Если активная культура попадает в такую же среду, лаг-фаза минимальная. Клетки
обладают повышенной чувствительностью к внешним воздействиям.
2. Фаза логарифмического роста. Характерна максимальная скорость роста и размножения
клеток; в культуре много молодых, биологически активных мко. Продолжительность зависит от
количества питательных веществ, скорости накопления и токсичности продуктов метаболизма,
аэрации для дрожжей. Устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды повышается.
Постепенно среда истощается, уменьшается количество доступных источников питания,
накапливаются продукты обмена веществ. Для увеличения продолжительности этой фазы при
непрерывном культивировании вводят новые порции питательной среды и удаляют часть клеток и
продукты метаболизма.
3. Стационарная фаза – равновесие между числом образовавшихся и погибших клеток.
Устойчивость клеток высокая. Скорость размножения снижается. При культивировании заквасок –
фаза урожая. В дрожжевом производстве – дозревание клеток. Растет концентрация токсичных
продуктов обмена.
3. Фаза отмирания – прекращение роста и размножения, уменьшение количества живых
клеток, появление деградированных (больных) форм, формируются споры, накапливаются
вторичные продукты метаболизма. Фаза может длиться несколько недель или месяцев,
культура погибает.
14.5 Сущность и виды культивирования микроорганизмов
Культивирование – выращивание микроорганизмов на специальных питательных средах.
Культивирование проводят в лабораторных и производственных условиях с целью:
- количественного и качественного анализа микрофлоры различных объектов: пищевых
продуктов, воды, воздуха и т.д.;
- изучения свойств микроорганизмов и их идентификации;
- выращивания полезных микроорганизмов (приготовление заквасок, получение продуктов
микробиологического синтеза, ферментов, белка и т.д.).
Питательные среды должны содержать все питательные вещества, макро- и микроэлементы,
необходимые для развития данного вида (или группы видов) микроорганизмов, а также иметь
оптимальные значения активной кислотности и окислительно-восстановительного потенциала. К
обязательным компонентам относятся: вода, биогенные элементы (С, Н, О, N, Р, S), для большинства
микроорганизмов необходимы также К, Са, Fe, Mg, для некоторых требуются микроэлементы (Со, Ni,
Zn), витамины и др. ростовые факторы. Закономерности роста на разных питательных средах
определяют культуральные свойства и являются видовым признаком.
На плотных питательных средах микроорганизмы образуют колонии – популяции микробных
клеток, между которыми существуют связи за счет прилипания (когезии) или специальных
образований – тяжей. Это своего рода саморегулирующаяся многоклеточная система. Колонии очень
разнообразны по форме, цвету, размерам и т.д., их описание используется при идентификации
микроорганизмов.
Различают три вида культивирования микроорганизмов:
1. Периодическое – используется при получении заквасок; характерны закономерности статической
культуры до фазы отмирания, включает стадии выращивания, концентрирования клеток путем
отделения от питательной среды сепарированием, сублимационной сушки, для которой
используются специальные защитные среды.
2. Непрерывное, целью которого является продление фазы роста, для этого используют два способа
– многократный пересев на новую питательную среду и непрерывное введение питательного
раствора при одновременном удалении продуктов метаболизма и части бактериальной суспензии.
Осуществляют в специальных аппаратах двух типов: хемостатах (рост микроорганизмов