Основы технической микробиологии

Аскомицеты широко распространены в природе. Среди них много паразитов культурных растений, возбудителей порчи пищевых продуктов, имеются патогенные для животных и человека виды. Некоторые исп

Мицелий у большинства хорошо развит, клеточный, но к аскимицетам относятся и не имеющие мицелия организмы, представленные одиночными почкующимися клетками. Все они имеют, однако, общее происхождение и ряд общих черт в строении. Бесполое размножение мицелиальных аскомицетов происходит с помощью конидий. Конидиальное спороношение разнообразно. Конидиеносцы образуются на мицелии одиночно или группами, создавая коремии, пикниды, ложе. При половом процессе образуются аскоспоры в сумках (асках). Сумки развиваются у многих грибов в плодовых телах разнообразной формы и строения, характерных для отдельных представителей аскомицетов. Некоторые сумчатые грибы не имеют плодовых тел, и сумки у них развиваются непосредственно на мицелии. Грибы, образующие плодовые тела, называют плодосумчатыми, не образующие - голосумчатыми.

У некоторых сумчатых грибов конидиальное спороношение неизвестно, у других оно преобладает в цикле развития. В природе (на пищевых продуктах) эти сумчатые грибы встречаются обычно в конидиальной стадии; они имеют самостоятельное название и рассматриваются в классе несовершенных грибов.

Аскомицеты широко распространены в природе. Среди них много паразитов культурных растений, возбудителей порчи пищевых продуктов, имеются патогенные для животных и человека виды. Некоторые используются в промышленности как продуценты биологически активных веществ (ферментов, витаминов, антибиотиков, алкалоидов).

Многие голосумчатые грибы имеют настоящий мицелий, таковым является, например, эремотециум Эшби, используемый для промышленного получения витамина В₂ (рибофлавина). У других голосумчатых грибов мицелий частично распадается на артроспоры. Существуют и такие грибы, которые представляют собой одиночные почкующиеся клетки. Важнейшими представителями немицелиальных голосумчатых грибов являются дрожжи.

В группу плодосумчатых грибов включены некоторые виды широко распространенных грибов родов аспергиллус и пенициллиум, способных к сумчатому спороношению. Плодовые тела у них имеют вид мелких шариков, образованных из плотно переплетенных гиф. Внутри этих шаровидных тел находятся сумки со спорами. Большинство видов аспергиллов и пенициллов встречается только в конидиальной стадии и относится к классу несовершенных грибов.

Грибы рода аспергиллус (Aspergillus) имеют одноклеточные, неразветвленные конидиеносцы. Верхушки конидиенос-цев в большей или меньшей степени вздуты и несут на своей поверхности располагающиеся в один или два яруса стеригмы с цепочкой конидий (рис. 16, а). Конидии различной окраски (зеленоватые, желтые, коричневые), чаще округлые. Конидиеносец по внешнему виду сходен с созревшим одуванчиком.

У грибов рода пенициллиум (Penicillium) конидиеносцы многоклеточные, ветвящиеся. На концах разветвлений конидиеносца располагаются стеригмы с цепочками конидий. Конидии бывают зеленой, голубой, серо-зеленой окраски или неокрашенными. Верхняя часть конидиеносца в виде кисточки разной степени сложности, отсюда и название гриба -- пенициллиум (кистевик).

Аспергилловые и пеницилловые грибы -- распространенные возбудители порчи (плесневения) пищевых продуктов, промышленных изделий и материалов. Некоторые представители их используются в промышленности для получения лимонной кислоты и ферментных препаратов.

Отдельные виды грибов рода пенициллиум применяют в производстве лечебного препарата пенициллина. Пенициллиум рокфори играет важную роль в созревании сыра Рокфор, пенициллиум камамбери-- в производстве сыра Камамбер.

Некоторые аспергиллы вызывают заболевания -- аспергиллезы (дыхательных путей, кожи, слизистой полости рта) человека и животных. Имеются виды, выделяющие ядовитые для животных и человека вещества, -- афлатоксины (производные кумаринов), одним из биологических действий которых является опухолеобразование.

Склеротиния -- распространенный и опасный возбудитель белой гнили плодов и овощей при хранении. Как показывает название, для этих грибов характерно в цикле развития образование склероциев на мицелии. Конидиальное спороношение отсутствует.

Спорынья-- паразит хлебных и кормовых злаков. Твердые, похожие на рожок тела темнофиолетового цвета, образующиеся в соцветиях злаков на[ месте обыкновенных зерен, представляют собой склероции. Склероции содержат алкалоиды -- вещества, токсичные для человека и животных.

К плодосумчатым грибам относятся также грибы трюфели и сморчки, плодовые тела которых употребляют в пищу, а также строчки, считающиеся условно съедобными, потому что некоторые виды их ядовиты. Трюфели образуют подземные, клубнеобразные плодовые тела мясистой или хрящевой консистенции, темного цвета, достигающие размера клубней картофеля. Плодовые тела сморчков крупные, мясистые, состоят из ножки и шляпки, со складчатой бурой поверхностью, где слоями располагаются сумки со спорами.

Базидиомицеты (Basidiomycetes). Это наиболее высокоразвитые грибы с клеточным мицелием; у некоторых грибов мицелий многолетний. Бесполое размножение (конидиями) наблюдается редко. Органами полового размножения служат базидии с базидиоспорами. У одних грибов базидии одноклеточные, у других -- многоклеточные. I Одноклеточные базидии цилиндрической или булавовидной |формы несут на четырех коротких выростах (стеригмах) по одной базидиоспоре. Многоклеточные базидии состоят из четырех клеток, на которых находится по одной базидиоспоре на стеригме. Базидии с базидиоспорами могут развиваться непосредственно на мицелии, но у многих базидиомицетов имеются плодовые тела.

Базидиальные грибы с одноклеточными базидиями живут в почве, на растительных остатках, некоторые -- на деревьях. Базидии с базидиоспорами у большинства распoлагаются слоем (гимением) на плодовых телах или внутри них. Строение, форма и консистенция плодовых тел разнообразны и характерны для разных видов грибов. В состав этой группы базидиомицетов входят шляпочные и трутовые грибы.

Шляпочные грибы имеют однолетнее мясистое плодовое тело, состоящее из шляпки и ножки. Нижняя поверхность шляпки состоит из радиально расходящихся пластинок (например, у сыроежки, опенка) или из многочисленных трубочек (у белого гриба, подберезовика и др.). На боковых поверхностях пластинок и на внутренних стенках трубочек находятся базидии со спорами. Многие шляпочные грибы съедобны. То, что обычно называют грибами и употребляют в пищу, и есть плодовые тела; грибница живет в почве. Некоторые шляпочные грибы ядовиты.

В нашей стране и в других занимаются промышленным культивированием съедобных грибов шампиньонов. В некоторых странах (Китай, Япония) выращивают и другие пластинчатые грибы. В настоящее время все большее распространение получает способ выращивания грибного мицелия в ферментах. Этот способ позволяет быстро накапливать значительное количество мицелия, который по химическому составу и вкусовым качествам мало отличается от плодовых тел соответствующего гриба.

Трутовые грибы -- разрушители древесины. Мицелий живет в древесине живой (в стволах, корнях деревьев) или мертвой (заготовительной, обработанной в постройках), разрушая ее. Плодовые тела образуются на поверхности пораженной древесины. У большинства грибов они многолетние, разнообразны по форме, величине, консистенции и окраске. Плодовые тела бывают рыхлыми, плотными, деревянистыми, в виде корочек, копытообразные.

Многие трутовые грибы известны под названием "домовые". Они поражают деревянные части зданий, складских помещений, обнаруживаются в винных подвалах на деревянных полках, бочках и других предметах. Наиболее вредоносным из них является настоящий домовой гриб (8егри1а 1асгутапз), который в природе не обнаруживается и встречается только в постройках. На пораженных предметах образуется ватообразное скопление мицелия с желтоватыми (или розоватыми) пленками. Плодовое тело мясисто-пленчатое. Древесина размягчается -- сгнивает. При повышенной влажности воздуха гриб распространяется очень быстро, чему способствует развитие тяжей из сросшихся гиф длиною до нескольких метров. Домовые грибы наносят большой экономический ущерб народному хозяйству.К базидиальным грибам с многоклеточными базидиями относят многие паразитические грибы, из которых некоторые поражают полевые, огородные и садовые растения. Большинство этих грибов не имеет плодовых тел. Важнейшими представителями их являются головневые и ржавчинные грибы.

Головневые грибы -- паразиты цветковых растений. Наиболее вредоносны грибы, поражающие зерновые культуры, вызывающие болезнь, называемую головней. Мицелий разрастается в тканях цветочных органов (метелки, колос), при этом мицелий превращается в пылящую массу темных спор -- хламидоспор, называемых телиоспорами. Пораженные грибом органы растений кажутся обуглившимися, обгорелыми, отсюда и название грибов и болезни растений. Хламидоспоры имеют плотную оболочку и устойчивы к неблагоприятным воздействиям. В почве они могут сохраняться жизнеспособными в течение нескольких лет и служить источником инфекции.

Ржавчинные грибы - широко распространенные паразиты многих высших растений, в том числе и злаков. Эти грибы отличаются сложным циклом развития - разнообразием форм спороношения, чередующихся в определенной последовательности. Некоторые грибы весь цикл развития проходят на одном растении (например, ржавчина подсолнечника), другие -- на двух растениях (хлебная ржавчина). Свое название ржавчинные грибы получили в связи с появлением ржавых пятен или полос на пораженных ими частях растений. Цвет пятен обусловлен наличием в мицелии и спорах этих грибов капель масла оранжевой окраски. Поражение злаковых растений ржавчиной приводит к их недоразвитию, задержке образования колосьев и, таким образом, к гибели урожая.

Головневые и ржавчинные грибы наносят большой урон сельскому хозяйству.

Дeйтеромицеты, или несовершенные грибы (Deuteromycetes). Это грибы с клеточным мицелием, у которых полового спороношения нет или оно еще не обнаружено. Большинство их размножается конидиями. Конидиеносцы у разных видов имеют различный внешний вид, располагаются одиночно или группами. Некоторые грибы образуют оидии (артроспоры), имеются формы и без специальных органов размножения. Конидии разнообразны по форме, строению, окраске; они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Многие представители несовершенных грибов являются аскомицетами, а возможно, и базидиомицетами, утратившими способность к половому спороношению, например виды аспергиллов и пенициллов, не имеющие сумчатой стадии развития. Некоторые грибы, рассматриваемые в этом классе, являются конидиальными стадиями развития определенных известных аскомицетов. Так, описанные ниже виды грибов Ботритис и Монилия представляют собой конидиальные стадии сумчатых грибов семейства склеротиниевых.

Несовершенные грибы широко распространены в природе; многие являются активными возбудителями порчи различных пищевых продуктов. Некоторые паразитируют на культурных растениях, имеются виды, вызывающие кожные заболевания (дерматомикозы) у людей.

Наиболее распространенными и опасными возбудителями порчи продуктов являются следующие.

Фузариум (Fuzarium) имеет два типа конидий, макроконидии - - серповидно-изогнутые многоклеточные, которые развиваются на коротких разветвленных конидиеносцах, и микроконидии -- более мелкие эллиптические или округлые одноклеточные (или с одной-двумя перегородками). Мицелий этих грибов белый, бело-розовый, желтоватый. Фузариумы вызывают заболевания различных овощей и плодов, известные под общим названием "фузариоз". Имеются виды, образующие ядовитые для человека вещества.

Ботритис имеет древовидно-разветвленные конидиеносцы, несущие на концах ветвей собранные в головки одноклеточные дымчатого цвета конидии. Этот гриб поражает яблоки, груши, многие овощи и особенно ягоды. При этом поверхность их покрывается пушистым серым налетом, ткани становятся водянистыми, буреют, размягчаются. Ботритис вместе с другими грибами вызывает так называемую кагатную гнилъ сахарной свеклы.

Альтернария характеризуется наличием многоклеточных темноокрашенных конидий булавовидно-вытянутой формы, сидящих цепочками или одиночно на слаборазвитых конидиеносцах. Различные виды Альтернарии широко распространены в почве и на растительных остатках. Гриб вызывает заболевание многих сельскохозяйственных растений, называемое алътернариозом. Развиваясь на пищевых продуктах, альтенария образует на них черные вдавленные пятна.

Оидиум образует разветвленный белый мицелий, гифы которого легко распадаются на оидии - артро-споры. Один из видов этого рода - Оидиум лактис-- молочная плесень, часто развивается в виде бархатистой пленки на поверхности квашеных овощей и кисло-молочных продуктов при их хранении. Гриб использует находящуюся в этих продуктах молочную кислоту, что приводит к их порче. В молочных продуктах оидиум разлагает белок, жиры. Эта плесень встречается также на прессованных дрожжах, сливочном масле, сыре и других продуктах.

.Монилия - гриб, не имеющий настоящих конидиеносцев. Конидии, соединенные в простые или ветвящиеся цепочки, располагаются на коротких отростках мицелия. Эти грибы являются активными возбудителями порчи плодов.

Фома имеет короткие конидиеносцы в пикнидах с бесцветными одноклеточными конидиями разнообразной формы. Среди грибов много паразитов растений, а также возбудителей порчи -- фомоза овощей при хранении.

Кладоспориум имеет слабоветвящиеся конидиеносцы, несущие на концах цепочки конидий. Конидии бывают разнообразной формы (округлой, овальной, цилиндрической и др.) и размеров, нередко двуклеточные. Мицелий, конидиеносцы и конидии окрашены в оливково-зеленый цвет. Эти грибы характерны тем, что выделяют в среду темный пигмент. Кладоспориум нередко обнаруживается при холодильном хранении на различных пищевых продуктах в виде бархатистых темно-оливковых (до черного цвета) пятен.

Дрожжи Общая характеристика. Дрожжи являются одноклеточными неподвижными микроорганизмами, широко распространенными в природе; они встречаются в почве, на листьях, стеблях и плодах растений, в разнообразных пищевых субстратах растительного и животного происхождения.

Широкое использование дрожжей в промышленности основано на их способности вызывать спиртовое брожение.

Форма и строение дрожжевой клетки. Форма клеток дрожжей чаще округлая, овально-яйцевидная или эллиптическая, реже цилиндрическая и лимоновидная. Встречаются дрожжи особой формы - серповидные, игловидные, стреловидные, треугольные. Размеры дрожжевых клеток обычно не превышают 10--15 мкм.

Форма и размеры дрожжей могут заметно изменяться в зависимости от условий развития, а также возраста клеток.

Строение клетки дрожжей сходно со строением клетки грибов. Дрожжи обладают всеми основными структурами, характерными для эукариотного типа клетки (ядро, отграниченное от цитоплазмы, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, рибосомы, вакуоли). В качестве запасных питательных веществ в клетках обнаруживаются капельки жира, гранулы гликогена, волютина.

Клеточная стенка (оболочка) дрожжей слоиста, в состав ее у большинства дрожжей входят в основном (до 60--70% сухой массы) гемицеллюлозы; в небольших количествах -- белки, липиды, хитин. У некоторых дрожжей оболочка может в той или иной степени ослизняться, вследствие чего клетки склеиваются друг с другом и при развитии в жидких средах образуют оседающие на дно сосуда хлопья. Такие дрожжи называют хлопьевидными, в отличие от пылевидных, клеточные стенки которых не ослизняются; пылевидные дрожжи в жидкости находятся во взвешенном состоянии.

Размножение дрожжей. Наиболее характерным и широко распространенным у дрожжей вегетативным способом размножения является почкование, лишь немногие дрожжи размножаются делением.

У дрожжей известны следующие типы почкования: мультилатеральное, биополярное, униполярное и равномерное.

Процесс почкования заключается в том, что на клетке появляется бугорок (иногда их несколько), который постепенно увеличивается. Этот бугорок называют почкой. Почкованию предшествует разделение ядра на две части, и одно вместе с частью цитоплазмы и другими клеточными элементами переходит в формирующуюся молодую клетку. По мере роста почки в месте соединения ее с материнской клеткой образуется перетяжка, отграничивающая молодую дочернюю клетку, которая затем либо отшнуровывается (отделяется) от материнской клетки, либо остается при ней. В месте отделения дочерней клетки остается рубец. При благоприятных условиях этот процесс длится около 2 ч.

Почкующиеся клетки обычно образуют не одну, а несколько почек. Вместе с этим может начаться почкование и молодых клеток. Так постепенно образуются скопления из многих объединенных между собой клеток, называемые сростками почкования.

В некоторых случаях, особенно на поверхности жидких сред, такие сростки почкования образуют тонкую пленку, легко разрушающуюся при взбалтывании жидкости. Существуют дрожжи, которые образуют более или менее толстые морщинистые пленки, прочно удерживающиеся при взбалтывании. Такие пленчатые дрожжи нередко вызывают порчу соленых и квашеных овощей, вина, пива.

Помимо почкования, многие дрожжи размножаются с помощью спор. Споры у дрожжей могут образовываться бесполым и половым путями. В первом случае ядро клетки делится на столько частей, сколько образуется спор у данного вида дрожжей, после чего постепенно в клетке (как в сумке) образуются аскоспоры. Образованию спор половым путем предшествует слияние (копуляция) клеток. У некоторых дрожжей копулируют прорастающие споры. Число спор в клетке разных видов дрожжей различно. Их может быть две, четыре, а иногда восемь и даже двенадцать.

Споры большинства дрожжей округлые или овальные, но у некоторых игловидные, шляповидные. На поверхности многих спор имеются различные образования типа выростов, бородавок, ободков. Споры дрожжей более устойчивы к неблагоприятным воздействиям, чем вегетативные клетки, но менее стойки, чем бактериальные споры. В благоприятных условиях споры прорастают в клетки.

У многих так называемых культурных дрожжей, т. е. культивируемых человеком для производственно-хозяйственных целей, способность к спорообразованию в значительной степени ослаблена, а иногда полностью утрачена.

Основы систематики дрожжей. Дрожжи, как указывалось выше, относятся к классу сумчатых грибов (Ascomycеtes), к подклассу голосумчатых, не образующих мицелия. Разделение голосумчатых грибов на порядки, семейства, роды основано на особенностях их размножения, морфологических, физиологических и биохимических признаках.

Наибольший интерес представляет род сахаромицес (Saccharomyces), который объединяет как природные виды, так и культурные, применяемые в промышленности. Отдельные их виды различаются способностью сбраживать те или иные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальными температурами почкования и образования спор и т. д.

В промышленности наиболее широко используют дрожжи сахаромицес церевизия. В настоящее время в различных странах мира их вырабатывают более 2 блн т. Коммерческими продуктами являются прессованные и высушенные различными способами дрожжи, а также пищевые дрожжи, характеризующиеся полностью инактивированными ферментными системами. Пищевые дрожжи используют как добавки к продуктам питания, а не как биологические катализаторы.

Сахаромицес церевизия (Sacch. cerevisiae) -- дрожжи округлой или овальной формы. Применяют их в производстве этилового спирта, пивоварении, квасоварении и хлебопечении. Каждое производство применяет свои специфические расы (разновидности) данного вида дрожжей.

Сахаромицес вини (Sacch. vini) -- дрожжи эллиптической формы. Их используют преимущественно в виноделии. Этот вид дрожжей также представлен многими расами.

Эти и некоторые другие виды рода Saccharomyces при спонтанном (самопроизвольном) развитии в содержащих сахар пищевых продуктах вызывают их порчу -- забражива-ние, прокисание.

Помимо спорообразующих, существуют дрожжи, не образующие спор, -- аспорогенные. Нередко их называют дрожжеподобными или несовершенными дрожжевыми организмами и относят к несовершенным грибам.

Из аспорогенных дрожжей наибольшее значение имеют роды кандида (Candida) и торулопсис (Torulopsis). Многочисленные представители их широко распространены в природе, большинство не способно к спиртовому брожению, многие вызывают порчу пищевых продуктов.

Торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Многие из них способны вызывать лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды используют в производстве кумыса и кефира.

Кандида -- дрожжи, клетки которых имеют вытянутую форму, способны к образованию примитивного мицелия (псевдомицелий). Многие из них не способны к спиртовому брожению. Некоторые виды (например, Кандида утилис), окисляющие сахар и этиловый спирт в органические кислоты или в углекислый газ и воду, являются вредителями в производствах вин, пива, пекарских дрожжей. Эти дрожжи вызывают порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других продуктов.

Имеются виды, вызывающие заболевания -- кандидозы у людей, при которых поражаются слизистые оболочки рта и других органов.

Среди аспорогенных дрожжей имеются окрашенные в желтый, розовый, красный цвета, что обусловлено наличием в клетках пигментов -- каротиноидов. В настоящее время некоторые из этих дрожжей (виды рода родоторула --Rhodotorula) используют для получения кормовых белково-каротиноидных препаратов, которые являются источником витамина А для животных.

В последнее время дрожжи Кандида утилис широко применяют для получения белка, аминокислот, витаминов и ферментов. Например, синтезирует белок при выращивании ее на отходах бумажной промышленности, а Сахаромицес липолитика-- на алканах нефти; Сахаромицес церевизия используют для получения фермента инвертазы.

В МИНХе им. Г. В. Плеханова А. А. Кудряшовой с труп пой сотрудников получен препарат из дрожжей "Александрина", предназначенный для использования в лечебно-про филактических целях. Он представляет собой полностью растворяющуюся в воде смесь аминокислот, витаминов и минеральных элементов. В пищевой промышленности он может применяться в качестве высокоэффективной и полифункциональной натуральной пищевой добавки, не оказывающей негативного влияния на органолептические свой ства продуктов питания. Добавление этого препарата к пищевым продуктам способствует повышению их физиологической ценности, появлению новых положительных признаков и свойств или усилению им присущих (повышение качества, усиление пеностойкости напитков и желеобразующей способности кондитерских изделий, замедление черствения хлебобулочных изделий, сохранение формы мучных изделий при варке, снижение калорийности сахаристых изделий и др.). Отходы, образующиеся при производстве этого препарата, могут использоваться как в пищевой промышленности, так и в области животноводства, растениеводства, при выращивании лабораторных и промышленных микроорганизмов, пушных зверей, рыбы, шляпочных грибов, цветов и др.

Новая натуральная биопродукция позволяет получать экологические безопасные продукты питания, эффективные корма для животных и питательные среды для микроорганизмов, новые медицинские препараты и парфюмерно-косметические изделия высокой биологической активности. Разрешение на ее промышленное производство и реализацию для населения получены в Минздраве РФ и в Госстандарте.

Вирусы и фаги. Вирусы (от лат. Virus - яд) - это особая группа микроорганизмов меньших размеров и более простой организации, чем бактерии. Вирусы не имеют клеточной структуры, величина их измеряется нанометрами. Вирусы открыты русским ботаником Д. И. Ивановским в 1892 г. при изучении мозаичной болезни листьев табака, которая причиняла большой ущерб табачным плантациям Крыма. Открытие Д. И. Ивановского заложило основу новой науки - вирусологии.

Вирусы -- внутриклеточные паразиты, вызывающие многие болезни человека (оспу, грипп, бешенство, корь, полиомиелит и др.), животных (ящур, чуму крупного рогатого скота) и растений ("мозаики" и другого вида заболевания полевых и огородных культур).

Вирусы разнообразны по форме, размерам и химическому составу. Большинство из них имеет палочковидную или сферическую форму. Некоторые вирусы состоят только из белка и одной нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, другие содержат еще и липиды, полисахариды. Вирусная частица называется вирионом. Нуклеиновая кислота (в виде спирали) находится внутри вириона, снаружи он покрыт белковой оболочкой (капсидом), состоящей из отдельных морфологических субъединиц (капсомеров). Вирусы выращивают на живых клетках или культуре тканей, так как на искусственных питательных средах они, как правило, не развиваются.

Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Многие инактивируются при 60"С до 10 мин, другие выдерживают температуру 90°С до 10 мин. Вирусы довольно легко переносят высушивание и низкие темпера туры, но мало устойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Фаги - это вирусы микроорганизмов, вызывающие гибель -- распад (лизис) их клеток. Вирусы бактерий называются бактериофагами или просто фагами, актиномицетов -- актинофагами, вирусы грибов -- микофагами, сине-зеленых водорослей (цианобактерий) - цианофагами.

Впервые лизис сибиреязвенных бактерий наблюдал Н. Ф. Гамалея в 1898 г. Д'Эррель в 1917 г. установил явление лизиса у бактерий дизентерии, им впервые был выделен и описан бактериофаг ("пожиратель") бактерий.

Морфология фага изучена с применением электронного микроскопа. Большинство фагов состоит из головки и отростка. Головка фага может иметь разную форму, чаще всего это многогранник, покрытый белковой оболочкой (капсидом). Внутри капсида расположена нуклеиновая кислота, чаще всего одна -- ДНК или РНК. Отросток фага имеет внутренний полый стержень, по каналу которого ДНК фага переходит в клетку хозяина. Стержень снаружи покрыт чехлом, способным к сокращению. Стержень и чехол отростка состоят из белковых субъединиц. У некоторых фагов отросток заканчивается базальной пластинкой, которая имеет выступы (зубцы) и нити.

Фаги могут быть и нитевидной формы, могут состоять из одной головки, а могут быть с аналогами отростка (очень коротким отростком). Некоторые фаги имеют длинные отростки с несокращающимся или сокращающимся чехлом.

Фаги широко распространены в природе. Многие из них обладают специфичностью -- могут воздействовать на определенный вид или группу родственных видов микроорганизмов.

Взаимодействие фага с микробной клеткой происходит в несколько фаз. Сначала фаг адсорбируется восприимчивой клеткой, затем под действием фермента фага (сходного с лизоцимом) в стенке микробной клетки образуется отверстие, через которое в клетку проникает только нуклеиновая кислота; пустая белковая оболочка головки и отростка остается снаружи клетки, а затем разрушается.

Под влиянием попавшей в клетку нуклеиновой кислоты фага перестраиваются все обменные процессы микробной клетки на синтез фаговых частиц: синтезируются фаговая нуклеиновая кислота и белковые субъединицы оболочек. Вначале формируются раздельно головки и отростки, которые затем объединяются в зрелые фаговые частицы. Через определенное время клетка хозяина погибает, разрушается и фаги выходят наружу.

Явление фаголизиса (растворение культур микроорганизмов) наблюдается на производствах, связанных с использованием микроорганизмов. Развитие фагов в культурах промышленных микроорганизмов приводит к тому, что клетки культуры лизируются, не успев синтезировать необходимые вещества. Это наносит предприятиям большой экономический ущерб. Так нередко лизируются молочно-кислые бактерии, входящие в состав заквасок для кисломолочных продуктов. Такие закваски не пригодны для употребления.

Бактериофаги, лизирующие зараженные ими бактерии, называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, инфицируют бактерии, но не вызывают их лизиса; такие фаги называются умеренными. В клетке-бактерии хозяина они не размножаются, но при делении бактерии передаются дочерним клеткам.

Фаги применяются в медицине для лечения и профилактики некоторых заболеваний, например дизентерии, холеры. Фаги исключительно удобны как модели для решение вопросов общебиологических, молекулярной биологии, генетики, медицины.

3. Физиология микроорганизмов. Химический состав микроорганизмов. Питание микробной клетки. Гетеротрофный и автотрофный типы питания. Конструктивный и энергетический обмен. Рост и размножение микроорганизмов

Физиология микроорганизмов. Изучает процессы их роста, развития, питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, их взаимодействия с окружающей средой. Знание физиологических процессов микроорганизмов создает научную основу для проведения культивирования (выращивания) и идентификации (распознавания) видов микробов, а также получения биологических и лечебных препаратов (заквасок, витаминов, ферментов, аминокислот, антибиотиков, вакцин и др.).

Понятие об обмене веществ. Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой. Термин метаболизм объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса- анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный или строительный обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т.е. использованию микробами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.

Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенных в них энергии. Эта энергия используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки.

Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Например, при благоприятных условиях в течение суток одна клетки бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы, соответственно высока и скорость прироста биомассы микроорганизмов. Основная часть пищи расходуется микроорганизмами в энергетическом обмене, при котором в среду выделяется большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, диоксид углерода, водород и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного, животного пищевого и непищевого сырья и обуславливает порчу пищевого сырья.

Химический состав микроорганизмов. Состав веществ тела микроорганизмов мало отличается от состава тела растений и животных.

Для определения потребностей микроорганизмов в питательных веществах необходимо знать их химический состав. Элементарный состав клеток микроорганизмов довольно разнообразен и представлен в процентах от сухого вещества клетки: углерод-50, кислород-20, азот-14, водород-8, фосфор-3, сера, калий , натрий- по 1, кальций, магний, хлор- по 0,5, железо-0,2, все остальные по 0,3. Эти элементы играют различную физиологическую роль. Так углерод, кислород, азот и водород входят в состав всех без искючения живых организмов, их называют органогенами. Эти элементы составляют основу органических веществ; водород и кислород входят в состав воды; кислород необходим для дыхания аэробным микроорганизмам. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав важных органических соединений клетки фосфолипидов, АТФ и др. Сера необходима для серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, гомоцистеина, метионина), без которых невозможен синтез белков.

Микробная клетка состоит из воды и сухих веществ. Количество воды для большинства микробов колеблется от 75 до 85% и находится в клетке в свободном и связанном состояниях, что имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Так как все вещества поступают в клетку только с водой и с ней же удаляются продукты обмена из клетки. Свободная вода служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений. Связанная вода является структурным элементом цитоплазмы и не может быть растворителем. Содержание воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. В спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, за счет низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и изменения в обмене веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает гибель клетки.

Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15-25% и состоит преимущественно (до85-95%) из органических соединений- белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений.

Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их зависит от вида микроорганизмов, условий выращивания и возраста и составляет в среднем от 40 до 60%. По аминокислотному составу белки микроорганизмов сходны с белками других организмов. Некоторые белки (ферменты) выполняют каталитические функции: осуществляют различные биохимические реакции, постоянно протекающие в микробной клетке).

Многие микроорганизмы могут накапливать большое количество белков в составе своих клеток и их можно рассматривать в качестве продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких «белковых продуктов» определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья (отходов различных производств).

Углеводы составляют 15-20% сухого вещества и содержатся в микробных клетках в основном в виде полисахаридов. Углеводы входят в состав капсул. Клеточных мембран и цитоплазмы, а также являются запасными веществами в виде включений гранулезы и гликогена.

Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках в виде рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. ДНК сосредоточена главным образом в ядре эукариотных клеток и в нуклеодах прокариотных (бактериальных клеток). В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и рибосомах.

Липиды составляют 3-10% сухого вещества, входят в состав клеточных оболочек и надежно защищают клетку от воздействий окружающей среды, а также откладываются в виде запасных гранул. Часть липидов связаны с другими веществами клетки, образуя сложные комплексы (эфиры сложных кислот и углеводов, воска и фосфолипиды). Пигменты и красящие вещества, обуславливают окраску микроорганизмов. Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений- бактериохлорофилл. Фототрофные бактерии и некоторые дрожжи образуют пигменты- каротиноиды, которые участвуют как и бактериохлорофилл в ассимиляции углекислого газа. У некоторых грибов(мицеллиальных и дрожжевых)в значительных количествах образуется желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А .

Минеральные вещества составляют 5-15% сухого вещества клетки и представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений (нуклеиновых кислот, АДФ, АТФ). Минеральные соединения играют важную роль в регулировании внутриклеточного давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Питание микробной клетки. Анаболизм микроорганизмов. Питание-это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которго они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасов.

Большинство микроорганизмов, также как и растения, обладают голофитным способом питания, или внеклеточным (внешним) пищеварением, которое происходит в окружающей среде( субстрате) под действием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный способ питания (внутриклеточное пищеварения), которое происходит под действием эндоферментов. Оно присуще простейшим и некоторым низкоорганизованным организмам и характеризуется заглатыванием (обволакиванием) плотных частиц пищи, перевариванием и превращением их в растворимые соединения(эндоцитоз).

Возможность проникновения веществ извне в клетку обусловлено многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны; концентрацией веществ в клетке и в среде. Имеют значение также и свойства клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, являющихся барьерами, через которые должны проникнуть в клетку питательные вещества; имеет значение электрический заряд поверхности клетки и др.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов.

Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью и служит осмотическим барьером. Так как проницаемость ее для различных веществ неодинакова. Известно несколько путей проникновения питательных веществ в клетку.

Пассивная диффузия подчиняется законам осмоса. При осмотическом проникновении веществ через полупроницаемую мембрану движущей силой является разность осмотических давлений (концентраций веществ) в растворах по обе стороны мембраны, т.е. между средой и клеткой. При этом концентрация растворенных солей внутри клетки несколько выше (по сравнению с субстратом), а так как вода по закону осмоса стремится в сторону противоположной концентрации, то она поступает в клетку увлекая с собой питательные вещества. Такой пассивный перенос веществ (по градиенту концентрации) протекает до выравнивания концентраций и не требует затраты энергии. При этом внутреннее напряжение клетки (так называемый тургор) является одним из основных условий обеспечивающих нормальное поступления в нее питательных веществ. Для большинства микроорганизмов тургор наиболее выражен при 0,85%-ной концентрации солей в окружающей среде. Эта концентрация называется изотонической.

При гипертонической концентрации, т.е. при повышении ее до 2-3% наступает плазмолиз (обезвоживание)- сжатие, сморщивание цитоплазмы и отслаивание ее от клеточной стенки. При помещении микроорганизмов в гипотонический раствор (например, дистиллированная вода) - вода прямым потоком поступает внутрь клетки. Объем клетки при этом увеличивается, происходит набухание и разрушение оболочки клеток. Это явление получило название плазмоптиза.

Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. При облегченной диффузии кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики являются специфичными по отношению к субстрату. Так дрожжевые клетки поглощают сахара путем облегченной диффузии, а у анаэробов этим способом происходит поглощение некоторых соединений и выделение продуктов обмена.

Активный транспорт. Поступление питательных веществ осуществляется против градиента концентраций с затратами энергии со стороны клетки и при участии специфических белков-переносчиков (пермеаз), локализованных в цитоплазматической мембране. Пермеазы сходны с ферментами и обладают субстратной специфичностью- каждая транспортирует определенное вещество. На внешней стороне цитоплазматической мембране пермеаза адсорбирует вещество, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее в цитоплазму. Выход растворенных веществ осуществляется как при участии пермеаз- путем облегченной диффузии, так видимо и путем пассивной диффузии.

Конструктивный обмен. Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизмов в химических элементах и энергии, необходимых для синтеза веществ и структур клетки. В зависимости от того, какие химические элементы поступают из веществ питательной среды их называют источниками углерода, азота, фосфора и др.

Кислород и водород микроорганизмы получают из воды, содержатся они также во многих используемых органических соединениях.

Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота весьма разнообразны.

Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы (питающийся самостоятельно) и гетеротрофы (питающийся другими).

Автотрофы усваивают углерод из диоксида углерода воздуха и в зависимости от вида используемой энергии для фиксации СО₂ их соответственно называют фото- и хемосинтезирующими.

Фотосинтезирующие используют энергию солнечных лучей. Они напоминают зеленые растения, образующие в процессе фотосинтеза углеводы из СО₂ и Н₂О. К этой группе относят цветные бактерии, имеющие в цитоплазме своих клеток пигменты типа хлорофилла. Как, например, пурпурные серные бактерии, сине-зеленые водоросли и др.

Хемоситезирующие используют энергию химических реакций окисления минеральных (неорганических) веществ. К ним относят нитрифицирующие бактерии, бесцветные серобактерии, железобактерии, нитчатые, тионовые, водородные бактерии и др.

Гетеротрофы наиболее многочисленная группа микроорганизмов, которые могут использовать углерод только из готовых органических субстратов животного и растительного происхождения. Микроорганизмы называют сапрофитами (метатрофами), если они используют мертвый органический субстрат. Они разлагают различные органические вещества в природе, вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья. Многие сапрофиты всеядны, т.е. способны использовать разнообразные органические соединения. Существуют и такие, которые нуждаются в определенных соединениях (например - микробы использующие метан, парафины и др.) Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют в небольших количествах и СО₂ , который служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки. Вторая подгруппа гетеротрофов - паразиты (паротрофы) питаются живыми органическими субстратами. Сюда относятся преимущественно болезнетворные микроорганизмы, т.е. паразитирующие в живых организмах. Абсолютными (внутриклеточными) паразитами являются вирусы и риккетсии, которые развиваются в живых клетках человека, животных, растений и микроорганизмов.

В отличие от вирусов и риккетсий многие патогенные микроорганизмы- паразиты могут размножатся на искусственных питательных средах, т.е. по типу питания занимают промежуточное положение между паразитами и сапрофитами (патогенные стафилококки, стрептококки, возбудители бруцеллеза, туберкулеза, сибирской язвы и др. инфекционных болезней).

Источники азота. В зависимости от источника азота все микроорганизмы можно разделить также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических источников. Они представлены двумя подгруппами: азотфиксирующие и нитритно-нитратные микроорганизмы. Азотфиксирующая подгруппа способна усваивать молекулярный азот воздуха (актиномицеты, азотфиксирующие - свободноживущие и симбиотические). Нитритно - нитратные микроорганизмы окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и усваивают эти окисленные формы азота.

Аминогетеротрофы используют органические источники азота. К ним относятся дезаминирующие, пептонные, протеолитические и паротрофные микроорганизмы. Дезаминирующие микроорганизмы могут усваивать только аминокислоты (некоторые патогенные бактерии). Пептонные бактерии потребляют только органические соединения типа пептонов, так как не способны расщеплять цельную белковую молекулу (молочнокислые, пропионовокислые бактерии, энтерококки, микрококки и кишечные палочки). Протеолитические микроорганизмы или гнилостные в качестве источника азота используют натуральные белки, которые предварительно разлагаются их экзоферментами (гнилостные бактерии, актиномицеты, плесени). Паротрофные микроорганизмы в качестве источника азота используют белковые вещества живого организма (патогенные).

Установить резкую грань между автотрофами и гетеротрофами не всегда удается. Некоторые патогенные микроорганизмы во внешней среде ведут сапрофитный образ жизни, и наоборот, некоторые сапрофиты в зависимости от состояния микроорганизма могут вызвать заболевания.

Минеральные элементы. Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. Потребность в них невелика, но без некоторых элементов невозможны рост и развитие микрооргнизмов. Калий активизирует ферментативные процессы, ускоряет течение физиологических процессов. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу. Пептидазу и другие ферменты. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, принимает активное участие в процессах дыхания (окисления). Сера -один из компонентов белков , входит в состав некоторых аминокислот. Железо необходимо в малых количествах входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления. Микроэлементы нужны микробной клетке еще в меньших количествах. Но их недостток ведет к нарушению нормального роста и развития. Молибден. бор, марганец, кобальт, медь и др. микроэлементы являются компонентами многих ферментов и витаминов. Для получения этих химических элементов в питательные среды для микроорганизмов вводят минеральные соединения.

Факторы роста. Активаторы биологических процессов, по своему действию являются витаминами и витаминоподобными соединениями. Одни микрооргаизмы должы получать витамины в готовом виде, а другие синтезируют витамины в количествах значительно превышающих собственные потребности. На этом основан микробиологический путь получения рибофлавина (витмин В₂), каротиноидов (провитамин А), эргостерина (провитамин Д).

Культивирование микробов в условиях лабораторий осуществляется на искусственных питательных средах. Для гетеротрофов среды должны содержать экстракты из продуктов животного и растительного происхождения с добавлением пептона. Пептон универсальный источник азота, являющийся продуктом неполного расщепления белков посредством фермента пепсина в кислой среде. В отличие от животных многие микробы могут использовать самые различные субстраты в качестве продуктов питания. Они растут на бумаге, дереве, коже, резине и т.д. Одни из них для своей жизнедеятельности используют парафиновые углеводороды, нефть, керосин; а другие- элективные (избирательные, селективные) среды, имеющие определенный состав.

Энергетический обмен. Описанные выше процессы конструктивного процесса - синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматическую мембрану и многие другие процессы жизнедеятельности - протекают с затратой энергии. Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.

У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия улавливается фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию и обеспечивает энергетические потребности клетки.

Источником энергии у хемоавтотрофов служит химическая энергия, получаемая при окислении неорганических соединений (аммиак, сероводород и др.).

Хемогетеротрофы получают энергию в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы хемогетеротрофами. Но одни способны окислять многие органические вещества, а другие-лишь небольшой набор их. Некоторые микроорганизмы могут проявлять большую специфичность к энергетическому материалу.

Поскольку все микроорганизмы: возбудители порчи пищевых продуктов и используемые при переработке пищевого сырья относятся к хемогетеротрофам ниже рассматриваются именно их энергодающие процессы. К ним относят дыхание и брожение. Суммарные уравнения выглядят следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ +6 О₂=6СО₂+6Н₂О+674 ккал,

С₆Н₁₂О₆ > 2СН₃СН₂ОН+2СО₂+27 ккал.

Дыхание (биологическое окисление)- сложный процесс окисления различных органических соединений и некоторых минеральных соединений (нитратов и сульфатов). Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекулярного азота происходят по схеме. Сульфатное дыхание-восстановление сульфатов до сероводорода, сопровождающееся выделением такого же количества энергии-по схеме:

5С6Н12О6+24КNО3>24КНСО3+18Н2О+12N2+6СО2+270 ккал.

С6Н12O6+3К2S О4 >3К2СО3+3СО2+3Н2О+3Н2S+270 ккал.

В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление его присоединение. Эти термины применяют к реакциям связанным с переносом протонов и электронов, или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении -их присоединение.

Различают два типа биологического окисления: прямое и непрямое. При прямом окислении органические вещества, такие как молекулярный водород, оксид углерода, метан, сера, аммиак, соли азотистой кислоты, железо и др. окисляются атмосферным кислородом с помощью ферментов оксидаз. При прямом окислении неорганических веществ получают энергию автотрофные почвенные бактерии.

При непрямом окислении происходит отщепление водорода от донора и его присоединение к акцептору. Поэтому непрямое окисление называют дегидрированием. Непрямому окислению путем дегидрирования подвергаются органические вещества при помощи дегидрогеназ. Различают аэробное и анаэробное дегидрирование. При аэробном дегидрировании микроорганизмы используют в качестве конечного акцептора водорода атмосферный кислород. Водород отщепляется от донора с помощью фермента дегидрогеназы и передается акцептору не сразу, а проходит ряд промежуточных этапов.