Бактерии - продуценты уксусной кислоты. Домен Procariota (Прокариоты)

• Название: Домен Procariota (Прокариоты)
• Анкор: Бактерии - продуценты уксусной кислоты
• Дата: 13.01.2020
• Размер: 26.6 Kb.
• Имя файла: Бактерии - продуценты уксусной кислоты.docx
• Тип: Документы; #103827

Систематика

К основным продуцентам уксусной кислоты относят роды Acetobacter и Gluconacetobacter. Представители первого более широко распространены и чаще применяются в биотехнологии, поэтому в данном докладе будут рассмотрены именно они.

Согласно современной таксономической классификации[5], положение этого рода таково:

Домен Procariota (Прокариоты)

Царство Bacteria (Бактерии);

[Подцарство Negibacteria (Грамотрицательные)]¹

Род Proteobacteria (Протеобактерии)

Класс Alphaproteobacteria (Альфа-протеобактерии)

Порядок Rhodospirillales

Семейство Acetobacteraceae

Род Acetobacter

Данный род включает в себя 19 видов, среди которых раньше всего были открыты A. aceti (1898 г.) и A. pasteurianus (1879 или 1916 год), открытие остальных приходится на начало XXI века.

Морфологические особенности

Клетки палочковидной формы, иногда встречаются нитевидные, эллипсовидные или имеющие вздутия клетки, являющиеся инволюционными формами. Могут быть очень короткими, одиночными или соединенными в длинные цепочки-нити. Капсул и эндоспор не образуют. Грамотрицательны (в очень редких случаях вариабельны). Средние размеры клеток (1.0–4.0)х(0.4–0.8) мкм. Обычно Acetobacter встречаются в неподвижном состоянии, но в молодой культуре (менее 2 суток) многие клетки уксуснокислых бактерий подвижны, и при наблюдении через электронный микроскоп отчетливо видны жгутики. Жгутики петрихиальные или латеральные. Часто наблюдается расщепление жгутика на 3–4 и более тонкие нити.

Применяя специальные методики окрашивания, внутри бактерий можно увидеть при микроскопировании капли жира, зерна волютина и нуклеоиды. Показано, что инволюционные формы содержат несколько нуклеоидов.

Физиологические особенности и условия роста

Бактерии рода Acetobacter склонны к крайне высоким темпам размножения, могут делиться каждые 30 минут. Всего несколько бактериальных клеток, помещенные на поверхность субстрата, могут за короткое время размножиться до миллиардной численности, образуя слой, масса 1 м² которого составляет около 1 г. Это количество бактерий может переработать за несколько дней 10 кг спирта.

Колонии образуются на поверхности среды, на жидких средах образуется пленка. Основной предпосылкой этого является относительная гидрофобность поверхности клеток и сцепление слоя клеток с открытой поверхностью среды на разных стадиях роста. При достижении достаточной толщины пленка опускается и начинает расти в глубине среды до тех пор, пока на поверхности не образуется новый слой, прекращающий доступ кислорода воздуха. Строение и внешняя форма пленки бактерий зависят от питательной среды и окружающих условий. Некоторые виды уксуснокислых бактерий образуют толстую пленку, другие тонкую, у одних она слизистая, у других – сухая. Общей особенностью пленки уксуснокислых бактерий является ее способность «всползать» на стенки стеклянной посуды. При 12%-й общей концентрации этанола и уксусной кислоты прерывание аэрации на 10–20 с. приводит к гибели клеток. Удивительную чувствительность этих бактерий к недостатку кислорода связывают с высокой активностью фермента апиразы. Под действием этого фермента АТР быстро гидролизуется и становится недоступным для метаболической активности клеток. Когда прерывается аэрация, то очень быстро исчезает пул АТР. Полагают, что пул АТР необходим для предотвращения вхождения этанола или уксусной кислоты в клетку.

Роду Acetobacter характерен окислительный тип метаболизма. Уксусная кислота – промежуточный продукт окисления, который при исчерпании первичного субстрата может быть превращен в углекислый газ и воду. Все представители – облигатные аэробы. Им характерна устойчивость к низким значениям pH, высоким концентрациям уксусной кислоты и спирта в среде. Эти бактерии проявляют крайнюю ацидофильность: оптимум pH в районе 3.0-3.2. Температурный оптимум около 30°C.

Бактерии данного рода обладают низкой протеолитической активностью, вследствие чего не растут на универсальных средах (МПА, РПА).

Потребность уксуснокислых бактерий в основных питательных веществах – источниках углерода, азота и витаминов – неоднородна у различных видов. Все они хорошо используют в качестве единственного источника углерода глюкозу и другие моносахариды, многоатомные спирты и хуже растут в питательных средах, содержащих этиловый спирт и уксусную кислоту.

Все уксуснокислые бактерии аминоавтотрофны, т. е. способны к синтезу аминокислот, основных из них, путем аминирования кетокислот. Они могут использовать азот в минеральной форме, однако неорганический азот усваивают при наличии необходимых источников углерода и витаминов. Выявлено, что некоторые виды уксуснокислых бактерий используют неорганический азот только тогда, когда в качестве источника углерода в среде присутствует глюкоза, а не этиловый спирт; другие – только при наличии в питательной среде необходимых им витаминов.

Давно известно образование уксуснокислыми бактериями слизистых веществ. Одни синтезируют из декстрина декстран, идентичный декстрану, синтезируемому Leuconostoc mesenteroides из сахарозы, другие из сахарозы – леван. Массовое развитие уксуснокислых бактерий, образующих слизистые вещества, вызывает «тягучесть» жидкости.

Отношение к субстратам

Уксуснокислые бактерии, обитающие в субстратах, содержащих этиловый спирт и бедных другими органическими веществами, более приспособлены к использованию спирта. Они хорошо развиваются в синтетических средах с аммонийными солями и проявляют себя как ауксоавтотрофы, синтезируя все необходимые им вещества из уксусной кислоты, воды и минеральных солей. Наиболее типичными в такой потребности в питательных веществах являются A. aceti.

Бактерии A. aceti, предпочитающие этиловый спирт и уксусную кислоту глюкозе и многоатомным спиртам, способные к синтезу всех необходимых им витаминов, быстро развивающиеся в средах с азотом в виде аммонийной соли, нашли широкое применение в производстве при скором (немецком) способе получения уксуса. Они окисляют спирт при pH 2,5–3,0, накапливая при этом до 10–11 % уксусной кислоты.

Многие виды уксуснокислых бактерий способны превращать молочную кислоту в ацетоин. Наиболее активно синтезируют ацетоин A. rancens и A. ascendens, образующие его до 74% от теоретически возможного. Некоторые бактерии способны также к окислению ацетоина в диацетил.

Некоторые виды уксуснокислых бактерий обладают исключительно редким в мире бактерий биосинтезом полисахарида целлюлозы. Ферменты, участвующие в образовании этого полисахарида, содержатся в A. xylinum.

Уксуснокислые бактерии синтезируют целлюлозу из различных моно- и дисахаридов (арабинозы, ксилозы, рамнозы, глюкозы, фруктозы, галактозы, мальтозы, сахарозы, лактозы), из многоатомных спиртов (глицерина, эритрита, сорбита, маниита), из глюконовой, 2- и 5-кетоглюконовых кислот. A. xylinum в некоторых условиях образует целлюлозу при развитии за счет этилового спирта, уксусной, янтарной или L-яблочной кислот. Некоторые уксуснокислые бактерии синтезируют крахмалоподобные соединения, химическая природа которых не выяснена. Известно лишь, что бактериальные пленки на поверхности жидких питательных сред и колонии на сусло-агаре определенных видов уксуснокислых бактерий при обработке йодом окрашиваются в синий цвет.

Основные метаболические пути

У рода Acetobacter основным путем гликолиза является путь Энтнера-Дудорова. Также обнаружен у них и пентозофосфатный путь. Любопытен еще один способ использования глюкозы, который доминирует у некоторых видов: она окисляется в околоклеточном пространстве, отдавая электроны напрямую в ЭТЦ, при этом внутрь клетки глюкоза практически не транспортируется. Показано, что мутационное нарушение пути Энтнера-Дудорова приводит к серьезному снижению темпов роста, а пентозофосфатного пути практически не влияет на развитие. Образующийся в результат гликолиза пируват вступает в ЦТК, проходя весь путь (есть ферменты каждой стадии). Промышленную значимость имеет превращение ряда субстратов в уксусную кислоту.

Список использованных источников

1. 
   Микробиология виноделия. Бурьян Н. И., Тюрина Л. В. 1979.
   
2. 
   Общая микробиология. Шлегель Г. – пер. с нем. – М.:Мир, 1987. – 567 с., ил.
   
3. 
   Общая микробиология. Нетрусов А.И., Котова И.Б. – 3-е изд., испр. - М.: 2009. - 352 с.
   
4. 
   J. Richhardt, S. Bringer, M. Bott. Role of the pentose phosphate pathway and the Entner–Doudoroff pathway in glucose metabolism of Acetobacter oxydans. Appl Microbiol Biotechnol (2013) 97:4315–4323 DOI 10.1007/s00253-013-4707-2.
   
5. 
   Integrated Taxonomic Information System. Режим доступа: itis.gov.
   

1^ Ставится под сомнение, т.к. молекулярные методы опровергают монофилию представителей этого «подцарства»