Основы микробиологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное Государственное Бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. Н. Прянишникова»

Кафедра инфекционных заболеваний

Контрольная работа по дисциплине:

«Микробиология»

Выполнила:

Студентка 2 курса заочного отделения

По специальности: Зоотехния

Группа ЗБ 13, шифр ЗБ-13-1585

Москалева Ирина Сергеевна

Проверил: ст. преподаватель

Беккер А. А.

Пермь 2014



1. Роль микробиологии как прикладной науки в сельскохозяйственном производстве. Получение продуктов микробного синтеза из вторичного сырья

Микробиология - это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли), их систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, их распространение и роль в круговороте веществ в природе, а также их практическое значение.

Широкое распространение микроорганизмов свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обуславливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах. При самом активном, широком участии микроорганизмов в природе, главным образом в почве и гидросфере, постоянно осуществляется два противоположных процесса: синтез из минеральных веществ сложных органических соединений и, наоборот, разложение органических веществ до минеральных. Единство этих противоположных процессов лежит в основе биологической роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

Среди различных процессов превращения веществ в природе, в которых микроорганизмы принимают активное участие, важнейшее значение для осуществления жизни растений, животных и человека на Земле имеют круговорот азота, углерода, фосфора, серы, железа. Многие микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов.

Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных. Микроорганизмы оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

Микробиологический синтез, синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счёт присущих микробной клетке ферментных систем. При микробиологическом синтезе, как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. Микробиологический синтез следует отличать от брожения, в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счёт распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся в ходе микробиологического синтеза, обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность для народного хозяйства.

К микробиологическому синтезу относят широкий круг процессов. 1. Накопление микробной массы для использования её: а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам; б) как источника получения белков, липидов, ферментов,токсинов, витаминов, антибиотиков; в) для борьбы с паразитами животных и растений; г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений. 2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п.

Микробиологический синтез осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных. Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов -- их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10мг/мл среды, витамин B₂ -- до 1--2 мг/мл, вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответствующих метаболитов путём микробиологического синтеза. При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём мутанты -- штаммы, у которых сверхсинтез -- следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов. Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100--150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина; мутантные штаммы используются при производстве как этого, так и др. антибиотиков.

В процессе микробиологического синтеза получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Так, для синтеза белков, нуклеиновых кислот и др. метаболитов клетки могут использовать в зависимости от особенностей культуры разные неорганические источники азота, а из соединений углерода -- различные углеводы, органические кислоты (в т. ч. уксусную кислоту), жидкие, твёрдые или газообразные углеводороды и др. Определённые виды, способные к хемосинтезу или фотосинтезу, в качестве источника углерода могут усваивать углекислый газ. Таким образом, подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём микробиологического синтеза желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают микробиологический синтез весьма эффективным способом производства многих соединений; часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.

2. Грибы. Простейшие, водоросли - представители царства эукариот. Их величины, микроструктура, размножение

Грибы - царство живой природы, объединяющее эукариотические организмы, сочетающие в себе некоторые признаки как растений, так и животных. Грибы изучает наука микология, которая считается разделом ботаники, поскольку ранее грибы относили к царству растений.

Весьма велико биологическое и экологическое разнообразие грибов. Это одна из наибольших и разнообразнейших групп живых организмов, ставшая неотъемлемой частью всех водных и наземных экосистем. В соответствии с современными оценками, на Земле существует от 100 до 250 тысяч, а по некоторым оценкам до 1,5 миллиона видов грибов. По состоянию на 2008 год в царстве Fungi описано 36 классов, 140 порядков, 560 семейств, 8283 употребляемых родовых названий и 5101 родовойсиноним, 97 861 вид.

Роль грибов в природе и в хозяйстве человека трудно переоценить. Грибы присутствуют во всех биологических нишах -- в воде и на суше, в почве и на всевозможных иных субстратах. Являясь редуцентами, они играют важную роль в экологии всей биосферы, разлагая всевозможные органические материалы и способствуя образованию плодородных почв. Велика роль грибов как участников взаимовыгодных симбиотических(мутуалистических) сообществ.

Известны симбиотические отношения грибов с высшими растениями -- микориза, с водорослями ицианобактериями -- лишайники, с насекомыми, представители порядка неокаллимастиговых -- обязательный компонент пищеварительной системы жвачных и некоторых других травоядных млекопитающих, они играют важную роль в переваривании растительной пищи.

Многие виды грибов активно используются человеком в пищевых, хозяйственных и медицинских целях. Блюда из съедобных традиционно входят в национальные кухни многих народов мира. Во многих странах развито промышленное выращивание съедобных грибов, производство материалов для грибоводов - любителей. Микроскопические грибы используются в пищевой промышленности для приготовления напитков способом брожения, ферментации различных пищевых продуктов. Грибы -- одни из важнейших объектов биотехнологии, применяемых для производства антибиотиков и других лекарственных средств, некоторых химических веществ, используемых в пищевой промышленности и в технических целях

У грибов имеется вегетативное, бесполое и половое размножение:

1) Вегетативное размножение осуществляется частями мицелия, которые, отделяясь от общей массы, способны расти и развиваться самостоятельно. У дрожжевых грибов вегетативное размножение происходит почкованием: на клетках мицелия образуются выросты (почки), постепенно увеличиваются в размерах, а затем отшнуровываются.

2) Бесполое размножение осуществляется спорами. Какими только не бывают споры - со жгутиками и без, одиночными и покрытыми общей оболочкой. Вместилище спор называется спорангием, а гифа, на которой он расположен - спорангиеносцем. Зооспоры (споры со жгутиками) находятся в зооспорангии. Если же споры не имеют жгутиков, то они называются конидиями и открыто сидят на гифе-кондиеносце. Споры могут развиваться либо внутри спорангиев (эндогенно), либо отчленяются от концов особых выростов мицелия (экзогенно).

Наиболее просто устроенные низшие грибы чаще всего обитают в воде. Споры этих грибов имеют жгутики и прекрасно плавают. Это- первый способ распространения спор.

Споры плесневелых грибов очень мелкие и лёгкие, поэтому они легко могут распространяться по воздуху, по воде, на лапках насекомых. Капли дождя могут переносить и крупные грибные споры. В распространение многих спор участвуют и животные. Особенно часто ими пользуются грибы, плодовые тела которых расположены под землёй, например, трюфеля. Распространяют споры грибов и насекомые. Тогда грибы часто имеют специфический запах и слизистые выделения.

Ещё один способ-разбрасывание спор с помощью упругих гиф (пероноспоры) или отстреливающегося спорангия (пилоболюс).

Способы расселения грибов делят на пассивные и активные. При пассивном гриб пользуется чьей - либо помощью, а при активно «справляется» сам. Заметим, что чем больше выбор переносчиков, тем проще расселительные приспособления гриба. Кроме того, чем меньше спор образует гриб, тем лучше они защищены и приспособлены.

Прорастают споры в ростовую трубку, из которой развивается мицелий.

Репродуктивные возможности огромны - одно плодовое тело может принести 1 миллиард спор в год.

3) Но спора даёт лишь начало первичному мицелию. Рядом проросли две споры, и первичные мицелии слились, дав начало вторичному мицелию (это - половой процесс)… Половой процесс состоит в слиянии мужских и женских гамет, в результате чего образуется зигота. У низших грибов гаметы подвижны, они могут быть одинаковыми по размеру (изогамия) или различны (гетерогамия). Если гаметы различаются не только по размерам, но и по строению, они формируются в женских (оогонии) и мужских (антеридии) половых органах. Неподвижная яйцеклетка оплодотворяется либо подвижными сперматозоидами, либо выростом антеридии, переливающий в оогонии своё содержимое. У некоторых грибов половой процесс заключается в конъюгации двух одинаковых на концах мицелия. Вторичный мицелий растёт, питается и в благоприятных условиях формирует новые плодовые тела. А зачем грибу плодовые тела? В их налаженной «кухне» готовиться новое поколение грибов: закладываются и созревают споры, защищённые от неблагоприятных условий. А, созрев, споры с помощью плодовых тел разлетаются от гриба-родителя.

Любой живой организм, а гриб - не исключение, получает по наследству программу дальнейшего развития, и если условия позволяют, реализует её. Наследственная информация содержится в ядрах клеток. Мицелии бывают с полной программой (диплоидные)

Или только с её половиной (гаплоидные). В первом случае они развиваются нормально, а во втором- чтобы не остановиться на « полдороги» в развитии, требуется слияние с другой гаплоидной половинкой с объединением наследственной информации и образование нового диплоидного организма.

У грибов есть два варианта развития после этого слияния:

Первый наблюдается, если диплоидная стадия недолговечна. Тогда после полового процесса быстро происходит редукционное деление (т.е. ядра сливаются и делятся два раза), которое приводит к образованию гаплоидных структур. Гриб сразу переходит к образованию спор, « снабдив» каждую из половинок половинной наследственной программы.

У некоторых грибов в конце полового процесса образуется клетка с двумя ядрами, пришедшими от обоих родителей и происходит редукционное деление. В результате образуется сумка с восемью гаплоидными спорами. Такие грибы называются сумчатыми.

У других грибов тоже образуется клетка с двумя ядрами, которые сливаются и два раза делятся. Но гаплоидные споры оказываются не в сумке, а на специальных выростах вздутой клетки-базидии.

Ну, а второй вариант встречается у грибов, «впадающих в спячку» после слияния клеток. Их диплоидная клетка (зигота) покрывается толстой оболочкой и «ждёт» весны. А «дождавшись» - прорастает: происходит редукционное деление, и развиваются уже гаплоидные споры.

Водоросли - гетерогенная экологическая группа преимущественно фототрофных одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, как правило, в водной среде, в систематическом отношении представляющая собой совокупность многих отделов. Вступая в симбиоз с грибами, эти организмы в ходе эволюции образовали совершенно новые организмы - лишайники.

Водоросли - группа организмов различного происхождения, объединённых следующими признаками: наличие хлорофилла и фотоавтотрофного питания; у многоклеточных - отсутствие чёткой дифференцировки тела (называемого слоевищем, или талломом) на органы; отсутствие ярко выраженной проводящей системы; обитание в водной среде или во влажных условиях (в почве, сырых местах и т. п.). Они сами по себе не имеют органов, тканей и лишены покровной оболочки.

Некоторые водоросли способны к гетеротрофии (питанию готовой органикой), как осмотрофной (поверхностью клетки), например жгутиконосцы, так и путём заглатывания через клеточный рот (эвгленовые, динофитовые). Размеры водорослей колеблются от долей микрона (кокколитофориды и некоторые диатомеи) до 30--50 м (бурые водоросли -- ламинария, макроцистис, саргассум). Таллом бывает как одноклеточным, так и многоклеточным. Среди многоклеточных водорослей наряду с крупными есть микроскопические (например, спорофит ламинариевых). Среди одноклеточных есть колониальные формы, когда отдельные клетки тесно связаны между собой (соединены через плазмодесмы или погружены в общую слизь).

К водорослям относят различное число (в зависимости от классификации) отделов эукариот, многие из которых не связаны общим происхождением. Также к водорослям часто относят сине-зелёные водоросли или цианобактерии, являющиеся прокариотами. Традиционно водоросли причисляются к растениям.

У водорослей встречается вегетативное, бесполое и половое размножение.

Вегетативное размножение может осуществляться как простым разделением многоклеточного организма (фрагменты нитей Spirogyra (спирогира) или колонии (Synura) на несколько частей, так и при помощи специализированных органов. Например, бурые водоросли из порядка сфацеляриевых имеют для этой цели специальные выводковые веточки, а водоросли из порядка харовых -- клубеньки на ризоидах.

Бесполое размножение водорослей осуществляется при помощи подвижных зооспор или неподвижных апланоспор. При этом протопласт клетки-спорангия делится на части и продукты деления выходят из её оболочки. Особь, на которой формируются спорангии, называют спорофитом. Часто подвижные или неподвижные споры имеют специальные названия. Например, апланоспоры, приобретающие форму материнской клетки, находясь внутри неё, называются автоспорами, а если апланоспора одевается толстой оболочкой и впадает в состояние покоя, то это гипноспора; зооспоры, утратившие жгутики, но сохранившие сократительные вакуоли и глазок, будут называться гемизооспорами.

Половое размножение. При половом размножении происходит попарное слияние гаплоидных клеток с образованием диплоидной зиготы. У водорослей есть несколько вариантов полового процесса: изогамия -- слияние двух одинаковых по форме и размеру подвижных гамет; гетерогамия -- слияние двух подвижных гамет одинаковых по форме, но разных по размеру; оогамия -- слияние крупной неподвижной яйцеклетки с мелким подвижным сперматозоидом. Клетки, в которых образуются гаметы, называются гаметангии, а сами растения с гаметангиями -- гаметофитами. Гаметангии бывают двух типов: образующие многочисленные сперматозоиды -- антеридии и образующие одну или несколько яйцеклеток оогонии. Также половое размножение в некоторых группах водорослей может осуществляться и без образования гамет. Например, если сливаются две подвижные одноклеточные водоросли, то это хологамия; слияние протопластов двух неподвижных гаплоидных вегетативных клеток с образованием зиготы -- конъюгация. Если гаметофиты и спорофиты в жизненном цикле водоросли имеют выраженные морфологические различия, то это называется гетероморфная смена форм развития, а если они морфологически не отличаются, то изоморфная смена форм развития. Также гаметофиты могут быть однодомными (обоеполыми) - на одной особи развиваются и мужские, и женские гаметы, или двудомными (раздельнополыми) - мужские гаметы - на одних особях, а женские - на других.

3. Источники углерода, азота и других элементов для микроорганизмов. Катаболизм (энергодающие процессы) и биосинтез или конструктивный метаболизм (энергопотребляющие процессы). Их значение и взаимосвязь у разных микроорганизмов

Процесс роста и развития микроорганизмов начинается с поглощения пищи. У микроорганизмов отсутствуют специальные органы принятия пищи, питательные вещества проникают в клетку через всю поверхность. Соединения с большой молекулярной массой предварительно расщепляются экзоферментами микроорганизмов.

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по своим пищевым потребностям. Они могут существовать за счет усвоения самых различных субстратов. Одно и то же соединение для одних видов может быть хорошим продуктом питания, а для других не только недоступным, но даже ядовитым. Например, известны микроорганизмы, усваивающие фенол, парафин, нафталин, угарный газ и др. В зависимости от концентрации некоторые вещества могут быть для одного и того же микроорганизма либо ценным источником питания, либо ингибирующим веществом. Так, сахара в небольших концентрациях являются легко ассимилируемым продуктом для многих микроорганизмов, в то же время высокие концентрации сахара угнетают их рост.

Источники питания должны обеспечивать микроорганизмы всеми элементами для синтеза различных клеточных структур, а также источниками энергии, необходимой не только для биосинтетических процессов, но и для других энергозависимых процессов, характерных для микробной клетки, как в стадии активного роста, так и в покоящейся стадии. Микроорганизмам, как и другим организмам, нужна вода, углерод, азот, фосфор, сера и другие элементы в макро- и микродозах. Отдельным микроорганизмам необходимы некоторые органические соединения.

Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизмов в химических элементах, входящих в состав их тела.

Микроорганизмы отличаются большим разнообразием типов питания. Одни питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ все сложные компоненты клетки. Другие микроорганизмы, подобно животным организмам, нуждаются в органических соединениях.

Требования различных микроорганизмов в отношении питательных веществ, особенно источников углерода и азота, весьма разнообразны и специфичны.

Углеродное питание. Углерод относится к числу важнейших органогенов и, как указывалось, составляет около 50 % сухой массы клетки. По источнику углеродного питания микроорганизмы можно разделить на две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные (сами себя питающие) микроорганизмы способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Синтез органических веществ из минеральных соединений требует затраты энергии. Среди автотрофных микроорганизмов имеются виды, которые ассимилируют углекислый газ, как и зеленые растения, используя солнечную энергию, - их называют фотосинтезирующими. Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими.

К фотосинтезирующим микроорганизмам относятся водоросли, обладающие хлорофиллом, и некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии. В клетках пурпурных бактерий находится зеленый пигмент бактериохлорофилл, сходный с хлорофиллом высших растений. В клетках зеленых бактерий также находится в небольшом количестве бактериохлорофилл, но имеется и другой фотосинтетический пигмент (хлоробиум - хлорофилл), химическая природа которого пока не установлена.

Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода, как у зеленых растений, а роль воды (как источника водорода для восстановления СО₂) у большинства выполняет Н₂S; при этом в клетках накапливается сера. Все фотосинтезирующие бактерии содержат также каротиноиды (от желтого до красного цвета). Роль пигментов аналогична хлорофиллу растений - поглощение световой энергии.

К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотную кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии), а также закисное железо в окисное (железобактерии). Процесс хемосинтеза у микроорганизмов был открыт С.Н. Виноградским.

Гетеротрофные (питающиеся другими) микроорганизмы в качестве источника углерода используют органические соединения и перестраивают их в вещества своих клеток. К таким организмам относятся многочисленные бактерии, грибы и дрожжи.

Большинство гетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождений. Такие организмы называются с а п р о ф и т а м и. К ним относятся все те микроорганизмы, которые разлагают различные органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья.

Некоторые гетеротрофы являются паразитам и (паратрофами); они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав этих организмов. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.

Однако резкую грань между этими подгруппами гетеротрофов не всегда можно установить. Отдельные виды болезнетворных микробов могут существовать во внешней среде как сапрофиты и, наоборот, некоторые сапрофиты в определенных условиях вызывают заболевания у людей, животных и растений.

Многие сапрофиты «всеядны», т. е. способны использовать в качестве источника углерода разнообразные органические соединения - углеводы, спирты, органические кислоты, белки и др. Некоторые проявляют резко выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода и используют только определенные вещества или даже одно из них. Такие микроорганизмы называют «субстрат-специфичными». Примерами могут служить целлюлозные бактерии, для которых клетчатка является единственным источником углерода, а также углеводородные бактерии, использующие углеводороды. Подобная избирательность наблюдается у дрожжей в отношении сахаров.

Примером специфичности может также служить различное отношение микроорганизмов к изомерным соединениям. Так, гриб Оidiит lаtсis усваивает изобутиловый спирт и не усваивает нормальный бутиловый. Последний является хорошим источником углерода для гриба Asреrgi11иs пiger, а изобутиловый спирт этот гриб не потребляет. Как видно, имеет значение даже структура молекулы. Вещества, являющиеся хорошим источником углерода для одних, могут быть непригодны и даже токсичны для других.

Гетеротрофы наряду с органическими соединениями используют и СО2, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ тела.

Специфичностью отношений микроорганизмов к источнику углеродистой пищи определяется круговорот углерода в природе. Эта особенность гетеротрофов проявляется и при порче многих пищевых продуктов, при смене развития одних форм другими.

Азотное питание. Источники азота - элемента, необходимого для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других азотсодержащих веществ клетки, - у микроорганизмов могут быть также очень разнообразными.

Наиболее высокими требованиями обладают паразиты, развивающиеся только за счет органических азотсодержащих веществ того организма, в котором они паразитируют.

Известны сапрофиты (молочнокислые и некоторые гнилостные бактерии), которые тоже не могут синтезировать белки своего тела из простых азотсодержащих соединений. Развитие их возможно лишь при наличии в среде сложных органических форм азота (пептонов, пептидов) или полного набора аминокислот, входящих в состав белков их клеток.

Другие сапрофиты могут развиваться в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну-две из них, а все остальные синтезируют сами. Они дезаминируют взятые аминокислоты и образующийся аммиак используют в реакциях аминирования оксикислот или чаще кетокислот, например:

NН3 + СН2ОНСНОНСООН СН2ОНСНNН2СООН + Н20;

глицериновая кислота

NН3 + Н2 + НООССН2СОСООН НООCCН2CНNН2CООН + H2O.

Щавелево - уксусная кислота

Синтез новых аминокислот может протекать и без дезаминирования взятых из субстрата аминокислот (без промежуточного образования аммиака) путем перестройки их (переаминирования) - переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоты при участии ферментов аминотрансфераз:

R1СНNH2СООН + R2СОСООН R1СОСООН + R2СНNН2СООН.

Аспарогиновая кислота

Многие сапрофиты (бактерии, грибы, дрожжи) не нуждаются в готовых аминокислотах, довольствуясь минеральными соединениями азота, наилучшими из которых являются аммонийньие соединения.

Многие микроорганизмы (преимущественно грибы, актиномицеты, реже бактерии) используют в качестве источника азота нитраты, реже нитриты. Эти окисленные формы азота предварительно восстанавливаются с образованием аммиака.

Есть бактерии и грибы (из класса базидиомицетов), способные использовать свободный азот атмосферы. Они переводят его в связанное состояние, восстанавливая в аммиак, который и используется для синтеза аминокислот. Эти микроорганизмы называют азотфиксаторами, или азотсобирателями. Примером могут служить клубеньковые бактерии, обитающие в корнях бобовых растений, и свободно живущие в почве азотфиксирующие бактерии. Аммиак, таким образом, является промежуточным продуктом ассимиляции различных источников азота.

Усвоение зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них и незначительна, однако при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.

Большинство микроорганизмов способно усваивать зольные элементы из минеральных солей.

Микроэлементы, необходимые для роста микроорганизмов, могут быть использованы также в виде минеральных солей.

Источником кислорода и водорода являются вода и различные другие вещества.

Попав внутрь клетки микроорганизма, питательное вещество участвует во множестве разнообразных химических реакций. Эти реакции, а также все остальные химические проявления жизнедеятельности микроорганизмов носят общее название метаболизма (обмена веществ). Метаболизм включает в себя две группы жизненно важных процессов -- катаболизм и биосинтез.

Катаболизм (энергетический обмен) -- это процессы расщепления пищевых веществ -- углеводов, жиров и белков, которые происходят в основном за счет реакций окисления, в результате чего выделяется энергия. У микроорганизмов различают две основные формы катаболизма -- аэробное дыхание и брожение. При аэробном дыхании осуществляется полное разрушение органических веществ с выходом большого количества энергии и образованием бедных энергией конечных продуктов (С02 и Н 2О). При брожении происходит неполный распад органических веществ с высвобождением незначительного количества энергии и накоплением богатых энергией конечных продуктов (этилового спирта, молочной, масляной и других кислот). Высвобождающаяся при катаболизме органических веществ свободная энергия аккумулируется в форме энергии фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ).

Биосинтез (конструктивный обмен) объединяет процессы синтеза макромолекул клетки (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и т. д.) из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде. Процессы биосинтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая вырабатывается в результате аэробного дыхания или брожения (или при фотосинтезе, или хемосинтезе) и поставляется в форме АТФ. Катаболизм и биосинтез протекают одновременно, многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими.

4. Микрофлора воды. Микробиологические процессы в разных зонах водоемов. Санитарные показатели доброкачественной воды (общее микробное число, коли - титр, коли - индекс)

Вода играет огромную роль в жизни человека. Она является составной частью его организма и постоянно потребляется им вместе с питьем и пищей, а также служит человеку средством поддержания личной гигиены. Без воды немыслим ни один из видов хозяйственной деятельности, в том числе и производство продовольственных товаров, где качество воды имеет особое значение, поскольку применение загрязненной воды может привести к быстрой порче пищевых продуктов и распространению инфекционных болезней.

Вода является средой, в которой микроорганизмы могут размножаться. Размножение микроорганизмов в воде зависит от наличия в ней веществ, служащих пищей микробам. Природные воды всегда содержат то или иное количество органических и минеральных веществ, которые могут быть использованы микроорганизмами для питания, поэтому микрофлора природных вод очень богата и разнообразна.

Микробный состав воды различных водоемов - рек, озер, прудов, водохранилищ - подвержен значительным колебаниям. Вода в них легко загрязняется дождевыми потоками и сточными водами, содержащими всевозможные органические остатки, промышленные и бытовые отбросы. Вместе с различными органическими и минеральными загрязнениями в открытые водоемы попадает масса микроорганизмов, среди которых встречаются и болезнетворные, например, возбудители брюшного тифа, дизентерии, паратифа и другие. Многие патогенные микроорганизмы могут длительное время сохраняться в воде, а некоторые даже способны в ней размножаться. Поэтому употребление сырой загрязненной воды часто приводит к возникновению инфекционного заболевания.

Состав и количество микроорганизмов в воде того или иного открытого водоема зависят от многих факторов: степени загрязненности ее органическими и минеральными веществами, от времени года, состояния погоды, а также от заселенности прибрежных участков и т. д.

Загрязненность воды и содержание микроорганизмов в открытых водоемах резко возрастают в период весеннего половодья или после обильных дождей. Вода рек, протекающих в районе больших населенных пунктов или промышленных предприятий, вбирает в себя массу стоков, содержащих много органических веществ, которые способствуют интенсивному размножению микроорганизмов. В 1 мл такой воды находятся сотни тысяч и миллионы бактерий. Вниз по течению от населенного пункта вода всегда более загрязнена, чем вверх от него.

Впадение чистых притоков во всех случаях снижает содержание бактерий в речной воде. Исследование воды реки, протекающей через большой город, показало, что в 1 мл этой воды выше города содержится около 30 микробов, у начала водопровода - немногим меньше 600, а ниже города - почти 15 тысяч.

Полоса воды ближе к середине рек, особенно крупных, содержит значительно меньше микроорганизмов, чем у берегов, так как при удалении от берега снижается содержание органических веществ в воде, служащих пищей микробам.

В прибрежных зонах водоемов со стоячей водой (прудов, озер) количество микроорганизмов также всегда больше, чем в удаленных от берега местах.

Количество микроорганизмов значительно колеблется по вертикали от поверхности ко дну водоема. Наблюдения показывают, что наибольшее число их приходится на слой воды, расположенный на глубине 5-20 м.

Речной ил гораздо богаче бактериями, чем речная вода. В 1 г сухого речного ила содержится обычно от нескольких сотен миллионов до 2-3 млрд. микробных клеток.

Содержание микробов в 1 г влажного ила озера доходит до 200-400 млн. Наиболее богат ими поверхностный слой ила. Здесь образуется своеобразная пленка из бактерий, играющая существенную роль в превращениях веществ в водоеме. В поверхностной пленке ила много серобактерий и железобактерий. Серобактерии выполняют важную для жизни водоема функцию - они окисляют образующийся в иле сероводород до серной кислоты и препятствуют его диффузии в водоем. Когда во время волнений водоема пленка разрушается и сероводород диффундирует в воду, нередко происходят большие заморы рыбы.

Недостаток кислорода в грунте водоема способствует развитию преимущественно анаэробных бактерий, получающих необходимую для жизнедеятельности энергию путем брожения. Особенно много здесь бактерий, сбраживающих растительные остатки (клетчатку) с образованием метана и водорода. Эти газы обычно выделяются из дна любого водоема, богатого органическими веществами, в частности остатками растений.

В воде обитают преимущественно бесспоровые бактерии (около 97%), а в иле - главным образом спороносные (около 75%), причем чем глубже залегает ил, тем больше в нем спороносных бактерий.

Подземные воды (воды артезианских колодцев, ключевые) содержат значительно меньше микроорганизмов, чем воды открытых водоемов, хотя количество и состав их также колеблются в зависимости от глубины залегания водоносного слоя и характера грунта.

Сравнительно малое содержание микроорганизмов в подземных водах объясняется тем, что последние при своем образовании просачиваются через толстые слои грунта и подвергаются тщательной фильтрации, в результате чего почти все микробы остаются в фильтрующем слое. Хотя в такой воде и сохраняются отдельные клетки, однако из-за недостатка органических веществ они размножаться не могут.

Подземные воды, питающие обычные колодцы, содержат, как правило, значительные количества бактерий, среди которых могут быть и болезнетворные. Объясняется это тем, что водоносные слои, которые подходят к колодцам, находятся обычно неглубоко и в них просачиваются поверхностные загрязнения, содержащие микроорганизмы. Чем выше залегают грунтовые воды, тем обильнее их микрофлора.

В некоторых случаях даже глубокое залегание водоносного слоя не обеспечивает чистоту воды вследствие слабой фильтрующей способности грунта, сквозь который возможно просачивание загрязненных поверхностных вод.

Сравнительно бедны бактериями дождевые воды и снег, особенно там, где в воздухе мало или нет пыли, например, в сельской или высокогорной местностях. В 1 мл таких осадков редко удается обнаружить более 10 бактерий.

Дождь или снег, выпадающие над городом, в воздухе которого находится много пыли, содержит значительно больше бактерий - от нескольких десятков до нескольких сотен в 1 мл.

Водопроводная вода также не лишена бактерий, их содержание в ней зависит от источника водоснабжения. Если водопроводная сеть питается артезианской водой, то количество бактерий в ней, даже без предварительной фильтрации, будет незначительным. Поэтому артезианские воды используют часто без; очистки, после дезинфекции, а иногда даже и без дезинфекции. Если же в водопровод поступает вода из открытого водоема, например из реки, то ее подвергают специальной обработке.

Питьевая вода, как и вода, используемая в пищевой промышленности, должна соответствовать определенным санитарно-гигиеническим нормам.

При санитарной оценке воды учитываются ее физические, химические и бактериологические показатели.

Питьевая вода не должна иметь постороннего вкуса, запаха и несвойственной воде окраски, содержать ядовитые химические вещества, а жесткость ее превышать 18-20°. Жесткость воды обусловливается наличием в ней солей кальция и магния. За один градус жесткости принимается содержание одной части окиси кальция (СаО) в 100 тыс. частях воды (10 мг СаО на 1 л воды). Вода считается мягкой, если она имеет не более 8-10° жесткости; вода с жесткостью свыше 20° считается жесткой, в такой воде плохо развариваются пищевые продукты.

Степень бактериальной загрязненности воды определяется наличием патогенных микробов, общим количеством микроорганизмов и титром кишечной палочки.

В питьевой воде не должно быть патогенных микроорганизмов. Вода, подаваемая в сеть хозяйственно-питьевых водопроводов, может содержать в 1 мл не более 100 бактерий. Кишечная палочка служит показателем фекального (выделениями кишечника) загрязнения воды. Наличие кишечных палочек в воде является признаком того, что в ней могут быть и патогенные микроорганизмы. Поэтому санитарная оценка воды дается еще и на основании так называемого титра кишечной палочки.

Титром кишечной палочки (коли-титром) называется наименьшее количество воды, в котором обнаруживается кишечная палочка (бактерия коли). Коли-титр для водопроводной питьевой воды должен быть не менее 300 мл; чем больше титр, тем выше качество воды. Кишечных палочек в 1 л воды должно быть не более трех (коли-индекс).

Вода колодцев и открытых водоемов признается доброкачественной, если в 1 мл ее содержится не более 1000 бактерий, а коли-титр - не менее 100 мл (коли-индекс не более 10).

Вода открытых водоемов непосредственно для питьевого водоснабжения не используется. Такую воду предварительно подвергают очистке и обеззараживанию.

Питьевая вода не должна иметь постороннего вкуса, запаха, несвойственной ей окраски, содержать ядовитые вещества и патогенные микроорганизмы. Обнаружить патогенные микроорганизмы в воде ввиду их малой концентрации крайне трудно. О безопасности воды в эпидемиологическом отношении судят по результатам санитарно-бактериологического исследования ее, которое включает определение двух микробиологических показателей: общего количества микробов в воде (определение микробного числа) и количества бактерий группы кишечных палочек (определение коли-титра и коли-индекса).

Микробиологические показатели для питьевой (водопроводной воды, подвергаемой очистке и дезинфекции) нормированы ГОСТ 2874--73.

Микробное число должно быть не более 100.

Коли - титр должен быть не менее 300. Коли - индекс показывает количество кишечных палочек (коли) в 1 мл воды. Коли - титр - это наименьшее количество воды, в котором обнаруживается хотя бы одна кишечная палочка.

Коли - индекс не должен превышать 3. Коли - индекс - это количество кишечных палочек (колибактерий) в 1 л (для твердых тел в 1 кг) исследуемого материала - воды, почвы и другое.

Санитарно-гигиенические нормы для воды, используемой в пищевой промышленности, такие же, как и для питьевой воды.

Вода артезианских скважин, распределяемая по водопроводам без очистки и дезинфекции, должна соответствовать следующим нормам: микробное число не более 100, коли-титр не менее 500, коли-индекс не более 2.

Вода открытых водоемов считается доброкачественной, если микробное число не более 1000, коли-титр не менее 111, коли-индекс не более 9.

В связи с тем что вода открытых водоемов, в том числе и вода грунтовых колодцев, имеет много источников фекального и нефекального загрязнения, при бактериологическом исследовании ее учитывают несколько санитарно-показательных микроорганизмов: Е. coli и энтерококки (показатели свежего фекального загрязнения воды); Cl. perfringens (показатель давнего фекального загрязнения); бактерии из рода Proteus (показатели загрязнения водоема органическими веществами животного происхождения или фекалиями человека); кишечные фаги (индикаторы возможного наличия в воде энтеровирусов). Определение всех этих показателей позволяет комплексно оценить санитарное состояние водоема.

5. Получение микробиологическим путем уксусной, лимонной, щавелевой и других кислот. Морфологические, физиологические особенности возбудителей

Микробиологические процессы получения органических кислот можно разделить на две группы: анаэробные (молочная, пропионовая) и аэробные (уксусная, лимонная, итаконовая, глюконовая). Все органические кислоты являются промежуточными или конечными продуктами катаболизма углеводов.

Получение лимонной кислоты. Производство лимонной кислоты принадлежит к числу старейших промышленных микробиологических процессов - было организовано в 1893 г. Из всех органических кислот по объему производства лимонная кислота занимает 1-е место в мире- составляет около 400 тыс.т в год.

В настоящее время в качестве продуцента лимонной кислоты применяются различные мутантные штаммы A.niger. Используемые в производстве штаммы отличаются большой скоростью роста, легкостью культивирования и высоким выходом ЛК (98-99% в расчете на потребленную сахарозу).

В процессе ферментации можно выделить 2 фазы: 1) активного роста гриба и 2) интенсивного кислотообразования, рост мицелия в этот период становится незначительным. Лимонная кислота накапливается вначале в клетках, а затем выделяется в среду.

Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании роста грибов минеральными компонентами среды и одновременно избыточном содержании источника углерода. Основным сырьем для производства лимонной кислоты является меласса. Известны два способа ферментации Asp.niger - поверхностный и глубинный.

Для промышленного получения уксуса используют штаммы Acetobacter aceti, A.pasterianus или A.peroxidans,A.xylinum, а также G.oxydans и несколько подвидов этого вида. В качестве сырья для получения пищевого уксуса используют вино, пивное сусло, мед, соки различных фруктов и ягод после спиртового брожения или водный раствор этилового спирта.

Самой старой технологией получения столового уксуса лучшего качества был так называемый медленный, илиорлеанский (французкий) процесс, в котором исходным сырьем было легкое виноградное вино, которым на 3/5 заполняли плоские деревянные чаны и туда же наливали столовый уксус, заполняя оставшиеся 2/5 объема. На поверхности смеси развивалась пленка ацетобактерий. После завершения окисления этанола отбирали из чана 10% жидкости, а взамен добавляли столько же вина.

В настоящее время почти везде пищевой уксус согласно так называемому «генераторному», или немецкому(быстрому) процессу, впервые реализованному в 1832 г. Особенность его - создание максимальной поверхности для снабжения воздухом уксуснокислые бактерий и как следствие, быстрое окисление спирта в уксусную кислоту. Процесс ведут в специальных чанах - струйных генераторах.

Более прогрессивным методом считается погруженная ферментация, которую на Западе проводят в ацетаторах Фрингса, в них возможно осуществление хорошей контролируемой аэрации.

Одним из наиболее удобных лабораторных способов получения щавелевой кислоты является окисление сахара азотной кислотой. Конечно, отсюда не следует, что все органические вещества, раньше чем сгореть, образуют щавелевую кислоту, но это очень распространенное явление. Поэтому нет ничего удивительного, что щавелевую кислоту можно получить из древесины. Клетчатка, которая содержится в древесине, по своей химической природе близка к сахару и потому, так же как и сахар, окисляясь, может образовать щавелевую кислоту.

6. Дрожжевание кормов. Размножение дрожжей, контроль их роста

Дрожжевание кормов - биологический способ подготовки кормов к скармливанию, повышающий их питательность и улучшающий вкусовые и диетические качества.

Дрожжуют корма обычными хлебопекарскими дрожжами (на 5 кг корма уходит 650 г дрожжей). Необходимо заготовить небольшую порцию в отдельной емкости и поставить её в тепло. Как только дрожжи начали образовывать пузырьки и общим объём смеси увеличился (это происходить через 1,5-2 часа) нужно внести в эту смесь заранее приготовленную закваску, предварительно размешав водой всю зерновую смесь.

Для этой процедуры важно брать большую емкость, которая должна быть заполнена содержимым на 2/3. В противном случаи зерновая смесь окажется на полу. Затем эта смесь должна постоять в теплом месте до 5-6 часов.

Из общей зерновой массы забирают 2/3 часть, а остальная пойдет на закваску новой порции.

Так необходимо делать до тех пор, пока дрожжи «работают». По истечению нескольких часов дрожжевая культура теряет свою способность и её необходимо заново обновлять. За месяц обычно используется приблизительно 800-900 г дрожжей. Это с учетом того, что за один раз заготавливают сразу несколько ведер дрожжёванного корма.

Чтобы дрожжевая культура и далее «работала» необходимо емкости и все другие компоненты держать постоянно в тепле. Температура в помещении должна быть не менее 20 градусов тепла. Если зерно холодное, то перед тем как его дрожжевать важно подержать его несколько часов в теплом месте, чтобы оно нагрелось до оптимальной температуры. Также необходимо нагреть воду, которая пойдет на залив зерна, до 45-55 градусов.

Дрожжи очень любят воздух, поэтому смесь важно иногда размешивать или продувать через трубочку или насос.

Зерна, в которых содержится крахмал, дрожжи плохо перерабатывают. Поэтому в них нужно добавить немного сахара или отвар кормовой сахарной свеклы - это гораздо ускорит процесс брожения.

Ещё небольшую часть дробленных зерен заливают кипяченной водой и выжидают пока они не набухнут. При этом основная часть содержащегося крахмала расщепляется до простых сахаров, ими же питаются дрожжи.

Готовый дрожжёванный корм можно давать животным в чистом виде или смешанный с другими кормами и культурами.

Очень выгодно дрожжевать овес, ячмень и рожь, добавляя к ним дорогие корма. Такой корм очень вкусный для всех животных, особенно его любят свиньи и некоторые домашние птицы. Если скармливать его регулярно птицам, то они станут в два раза нести больше яиц, чем обычно и сами куры не станут их расклевывать.

А если кормить таким кормом свиней, то их вес гораздо увеличиться. Дрожжи на организм животного влияют положительно, улучшая его общее состояние.

Единственный недостаток в таких кормах - это то что животные способны быстро к нему привыкнуть и потом не есть обычный корм.

Дрожжи имеют разнообразную форму: круглую, эллиптическую, овальную, реже лимонообразную и цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гиф. Форма и структура клеток непостоянна, она может изменяться в связи с изменением условий культивирования. Дрожжевая клетка состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы, внутри которой расположены органоиды (ядро, митохондрии, рибосомы, вакуоль, Гольджи аппара) и включения (запасные вещества) в виде капелек жира, зерен гликогена и волютииа (рис. 1).

Рис. 1 Схема поперечного разреза дрожжевой клетки: 1 -- цитоплазматическая мембрана; 2 -- цитоплазма; 3 -- аппарат Гольджи; 4 -- эндоплазматическая сеть; 5 -- жировые капельки; 6 -- митохондрия; 7 -- ядро; 8 -- рубец, где отпочковалась клетка; 9 -- ядрышко; 10 -- гранулы волютина (метахроматина); 11 -- рибосомы; 12 -- вакуоль; 13 -- клеточная оболочка.

Молодые клетки имеют гомогенную цитоплазму, иногда небольшую вакуоль. С возрастом клетки появляется зернистость, вакуоль увеличивается. Размер клеток варьирует от 5 до 7 мкм в диаметре и от 8 до 12 мкм в длину. При таких небольших размерах клеток поверхность их в 1л бродящего виноградного сусла может достигать 10 м². Такая большая поверхность определяет активный обмен дрожжей с окружающей средой. Относит, плотность клеток составляет 1,055--1.06. С наступлением неблагоприятных условий возникают более устойчивые покоящиеся клетки -- артроспоры и сумки со спорами. Артроспоры сохраняют форму вегетативных клеток, но отличаются от них более плотной плазмой, наличием гликогена, капель жира и утолщенными оболочками. Сумки со спорами обычно повторяют форму и размер вегетативных клеток. Форма и размер спор у различного рода спорегенных дрожжей отличаются.

Размножение дрожжей

Существует 2 вида размножения дрожжей -- вегетативное (бесполое) и половое с образованием спор. У большинства видов дрожжей вегетативное размножение осуществляется почкованием, редко делением (Schizosaccharomyces). Аспорогенные. дрожжи размножаются только почкованием. Половое размножение происходит при неблагоприятных условиях, когда дрожжи перестают почковаться и превращаются в сумки (аски) со спорами -- аскоспоры. Половой процесс заключается в копуляции (слиянии) 2 вегетативных клеток путем сближения их и образования копуляционного канала, в котором происходит слияние частей плазмы и ядра клеток, называемое кариогамией, с образованием диплоидной зиготы, представляющей 2 клетки, соединенные копуляционным каналом. Редукционное деление, или мейоз, сопровождаемое уменьшением числа хромосом вдвое, происходит сразу, без полового процесса, и зигота превращается в аск с 4 гаплоидными спорами, поэтому вегетативное поколение таких спор гаплоидно. Споры прорастают без копуляции. Так происходит размножение у дрожжей Zygosaccharomyces (рис. 2Б). У дрожжей Saccharomyces половой процесс происходит при слиянии спор или проросших из них клеток с образованием диплоидной зиготы, которая сразу начинает почковаться, образуя диплоидное потомство (рис. 2А). Мейоз происходит непосредственно перед образованием спор.

...