Лекция 1. Микробиология в пищевой промышленности. Проблемы систематики в микробиологии. Вопросы

• Название: Лекция 1. Микробиология в пищевой промышленности. Проблемы систематики в микробиологии. Вопросы
• Дата: 10.01.2019
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: lekt_mol_biolog.doc
• Тип: Лекция; #63123
• страница: 2 из 9

Внеклеточные организмы (вирусы и фаги).

Вирусы обладают следующими характерными особенностями, отличающими их от других микроорганизмов:

• 
  имеют неклеточное строение
  
• 
  не способны к росту и бинарному делению
  
• 
  не имеют собственных систем метаболизма
  
• 
  содержат нуклеиновые кислоты только одного типа ДНК или РНК
  
• 
  для их воспроизводства нужна только нуклеиновая кислота
  
• 
  используют рибосомы клетки – хозяина для образования собственных белков
  
• 
  не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.
  

Вирусы могут существовать в 2-х формах – внеклеточной (в виде вириона) и внутриклеточной (в виде вегетативного вируса). У вириона отсутствует обмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточная форма является активным агентом, попав в клетку хозяина использует ее биологический и энергетический аппарат для репродукции новых вирусов, а впоследствии может вызвать гибель самой клетки. Вирионы обладают большой устойчивостью к действию химических и физических факторов окружающей среды. Они переносят низкие температуры до -70 ºС, наиболее длительное время выживания вирусов достигается при их высушивании (в течении многих лет). По сравнению с бактериями вирусы устойчивы к рН в диапазоне 3,8-8,5, к УФ-излучению, ионизирующей радиации. Все вирусы чувствительны к нагреванию. Большинство теряет свои инфекционные свойства при 50-60 ºС.

Вирусы подразделяют на 2 группы: ДНК – вирусы и РНК-вирусы. Могут иметь разнообразную форму (палочковидная, сферическая, кубическая, ассиметрия). Геномные ДНК и РНК могут находиться в виде линейных и кольцевых молекул. Геном вируса может быть заключен в оболочку различной степени сложности. У простых вирусов вирион представляет собой нуклеопротеид, в котором вирусная нуклеиновая кислота заключена в оболочку из молекул вирусного белка, называемую капсидом. Вирион сложных вирусов включает дополнительные морфологические элементы – липопротеиновую оболочку, модифицированную вирусными белками. Капсид построен из идентичных повторяющихся белковых субъединиц – капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

Основной функцией вирусной частицы является защита и хранение вирусного генома до момента его реализации в клетке-хозяине.

Вирусы, которые поражают бактерии, - бактериофаги. Проникновение фага в клетку хозяина происходит в несколько стадий:

1. 
   адсорбция – происходит при случайном столкновении, представляет собой прикрепление фага к клетке;
   
2. 
   инъекция - введение нуклеиновой кислоты фага в клетку;
   
3. 
   скрытый период – когда в клетке хозяина происходит перестройка синтезирующих процессов, собственные органические соединения не синтезируются, образуются ферменты, необходимые для синтеза фаговой нуклеиновой кислоты и белка.
   
4. 
   созревание.
   

Вирусы классифицируют в соответствии с природой их генома и структурой вириона. При классификации вирусов используют следующие основные характеристики: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК, одно- или двуцепочечная нуклеиновая кислота, сегментированный геном или нет, линейный или кольцевой, диплоидный геном) или структура вириона (спиральная или комплексная симметрия, наличие липопротеидной оболочки, число капсомеров). Для наименования вида вирусов бинарная номенклатура не применяется.
ЛЕКЦИЯ №3.

Микроорганизмы и окружающая среда.

Вопросы:

1. Распространение микроорганизмов в природе.

2. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

3. Влияние химических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

4. Влияние биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

1.Источники распространения микроорганизмов. Микроорганизмы широко распространены в природе, они обнаружены в пустынях и вечных льдах, на горных вершинах и в океанах. Главным источником распространения микробов является почва. Благоприятны для развития микроорганизмов растительные и животные остатки, загрязненные воды, пищевые продукты. Благодаря высокой приспособляемости микробы могут жить при температуре от +70-90^оС до –5-8^оС. На распространение микроорганизмов влияют географические и климатические условия, больше микроорганизмов встречается в местах с теплым и влажным климатом.

Кроме почвы источником распространения является воздух, но как среда обитания он неблагоприятен из-за отсутствия в нем питательных веществ. Микробы попадают в воздух с пылью, чаще всего безвредны (возбудители различных брожений, пигментные микроорганизмы, плесневые и дрожжевые грибы). Большее количество микроорганизмов содержится в воздухе летом, чем зимой. Чем больше плотность населения, тем больше в воздухе микроорганизмов. Воздух является источником заражения микробами продовольственных товаров, технологического сырья, значительное содержание микроорганизмов в воздухе свидетельствует о низком санитарном состоянии помещения. При наличии более 500 – 1000 микробных клеток в 1 м³ воздуха – воздух считается очень грязным.

Вода тоже является естественным местообитанием микробов. В ней микроорганизмы могут находиться и размножаться. В водоёмы микроорганизмы попадают с почвой, пылью, различными органическими остатками. Микрофлора воды носит случайный характер, но есть и постоянные воды. Кроме постоянных безвредных сапрофитов, в воде встречаются патогенные микроорганизмы, возбудители желудочно-кишечных заболеваний человека. Согласно требованиям санитарных норм в воде не должно содержаться патогенных микроорганизмов, ионов токсичных металлов.

Все факторы внешней среды делят на 3 группы: физические, химические, биологические.

2. 
   Физические факторы внешней среды:
   

1. 
   Температура. По отношению к температурным условиям микроорганизмы делят на 3 группы:
   
   • 
     психрофилы – холодолюбивые формы, температурный оптимум их развития 10^оС, t_min  0C, t_max30C. Для них характерно медленное развитие и небольшая скорость роста, могут развиваться в продуктах, которые хранятся при низких температурах. Наиболее часто встречаются флуоресцирующие бактерии, бактерии из рода Pseudomonas, Chromobacteriym, Flavobacterium; некоторые токсичные формы бактерий Clostridium botulinum. Психрофилы способны развиваться при низких температурах, так как содержат в клетках ферменты, имеющие низкую температуру активации, а также в составе клеточных мембран содержится большое количество ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов. В результате мембраны не замерзают.
     
   • 
     мезофилы – их температурный оптимум 30 – 45^оС, t_min 10-15C. В эту группу входят большинство известных микроорганизмов, в том числе болезнетворные.
     
   • 
     термофилы – теплолюбивые организмы, развиваются в зоне высоких температур, их делят на облигатные (оптимум 65-70^оС, t_min = 40-42^оС), факультативные ( оптимум 45-60^оС, t_min  20С), термотолерантные (t_max  45-50C), экстремальнотермофильные (существуют при t  90^оС).
     

Возможность существования при высокой температуре объясняется особым составом липидных компонентов мембран, содержащих насыщенные жирные кислоты с разветвленными цепями, а также термостабильностью белков и ферментных и клеточных ультраструктур. Термофильные бактерии широко распространены в природе, обитают в горячих источниках, принимают участие в саморазогревании зерна, некоторые используют в биотехнологии для получения витаминов, ферментов, белков и так далее.

2. 
   Влажность. Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды. Большое внимание на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если эта концентрация мала, то раствор называют гипотоническим. При оптимальной концентрации этих веществ создаются условия для лучшего роста микроорганизмов, а увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста микроорганизмов в связи с повышением остмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называют гипертоническим.
   

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут, так как вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Это явление называется плазмолизом. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка может лопнуть. Это явление называется плазмопсисом.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, которые называют осмофильными. К ним относятся некоторые дрожжи, которые растут при содержании сахара 70 – 80%, многие плесневые грибы, особенно из рода Aspergillus и Penicillium. Эти грибы растут на едва увлажненных средах. Существуют микроорганизмы, способные жить при очень высоких концентрациях солей. Такие микроорганизмы – галофиты, они представлены двумя группами:

1. 
   умеренные галофиты, которые хорошо растут в среде с 10% соли;
   
2. 
   экстремальные галофиты растут в 12 – 15% соли, а некоторые - и в 32% растворе хлорида натрия;
   

Большинство микроорганизмов не переносят концентрации хлорида натрия свыше 5%. Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Некоторые микроорганизмы в условиях недостатка воды обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглощают влагу. При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются, но в высушенных продуктах сохраняется много живых микроорганизмов, хотя развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов (рыба, мясо, фрукты).

Бактерии с мелкими клетками устойчивы к высушиванию, грамположительные более устойчивы, чем грамотрицательные. Хорошо переносят высушивание споры. Применение ПАВ снижает поверхностное натяжение воды и делает растворы токсичными для микроорганизмов, так как происходит изменение физиологических процессов в клетках.

3. Давление. Обычно не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Умеренное давление 1 10⁷ - 510⁷ Па угнетает рост и размножение микрофлоры.

4. Свет – основной фактор роста фотосинтезирующих зеленых и пурпурных бактерий, для большинства других микроорганизмов видимая и невидимая радиация бесполезна, и даже вредна. Бактерицидными являются ультрафиолетовые лучи, используемые для стерилизации воздуха. Их действие основано на повреждении ДНК и мембран клеток. Ионизирующая радиация (рентгеновские лучи, -лучи,-излучение) в низких дозах оказывает мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких – летальное. Ионизирующую радиацию используют для стерилизации различных материалов, консервирования пищевых продуктов.
3. Химические факторы внешней среды:

1.Реакция среды (рН) – один из наиболее важных факторов, определяющих рост и развитие микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН  7. Но тем не менее, по отношению к кислотности микроорганизмы делят на группы:

1. 
   Нейтрофилы – их оптимальный диапазон реакции среды рН 4-9. К ним относятся молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые бактерии, Bacillus sultillus, Escherichia coli, Streptococus faecalis. Среди нейтрофилов встречаются представители, обладающие кислотной и щелочной устойчивостью;
   
2. 
   Алкалофилы, для них предпочтительна щелочная реакция среды (рН 10 и выше);
   
3. 
   Ацидофилы предпочитают кислую реакцию среды (рН 3 и менее);
   

Известны также микроорганизмы, развивающиеся при экстремальных значениях рН, многие грибы предпочитают кислую реакцию среды рН 5-6. В процессе жизнедеятельности некоторые микроорганизмы способны подкислять среду или вырабатывать щелочные продукты. Это свойство микроорганизмов, а также отрицательное влияние кислотности на большинство микробов, используют при консервировании пищевых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты.

2.Присутствие молекулярного кислорода в среде. По отношению к молекулярному кислороду микроорганизмы делятся на несколько групп:

1. 
   облигатные (строгие) аэробы - нуждаются в кислороде для жизни, без кислорода жить не могут;
   
2. 
   микроаэрофилы – потребляют кислород, но растут при его концентрации меньше, чем в воздухе;
   
3. 
   облигатные анаэробы – для них кислород токсичен;
   
4. 
   факультативные анаэробы – не погибают при контакте с кислородом.
   

Существуют микроорганизмы, которые в зависимости от условий среды могут иметь либо окислительный, либо бродильный тип обмена. Дрожжи при доступе кислорода окисляют сахар до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях вызывают спиртовое брожение (этиловый спирт + углекислый газ).

3. Химические соединения. Разделены на 3 группы:

1. 
   антисептики – органические и неорганические вещества, обладающие бактерицидным действием (фенолы, спирты, галогены, перманганат калия). Механизм их действия состоит в ингибировании синтеза белка, РНК или в нарушении координации этих процессов;
   
2. 
   ионы тяжелых металлов – при высокой концентрации обладают бактерицидным эффектом, происходит денатурация и ингибирование синтеза белка;
   
3. 
   антибиотики – вещества, синтезируемые микроорганизмами и обладающие способностью в небольших концентрациях оказывать избирательное токсичное действие на другие микроорганизмы. Известно более 5000 антибиотиков, принадлежащих к различным группам химических соединений. Механизм их противомикробного действия может быть самым разным: нарушение синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза белка, РНК, ДНК. Способностью вырабатывать антибиотики обладают многие микроорганизмы, но больше таких микроорганизмов в группе актиномицетов.
   

4.Биологические факторы внешней среды. Это различные взаимоотношения между живыми существами, которые возникают в природных условиях и обуславливают присутствие разнообразных видов. Взаимоотношения между микроорганизмами могут приносить как пользу, так и вред.

Нейтрализм - взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь, не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция – взаимоотношения между видами, которые соревнуются за питание на одних и тех же субстратах.

Синтрофия – взаимоотношения, когдадва или более вида бактерий способны существовать совместно и осуществлять процесс, который ни один из них не в состоянии выполнить самостоятельно.

Симбиоз – тип отношений между микроорганизмами, когда партнеры взаимно приспосабливаются к совместному существованию. Различают несколько типов симбиоза:

1. 
   комменсализм – когда один из партнеров возлагает на другого регуляцию взаимоотношений с окружающей средой, но при этом не вступает с ним в тесный контакт;
   
2. 
   мутуализм – оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, при этом ни один из них не может существовать без другого;
   
3. 
   паразитизм – когда симбиоз полезен только одному из партнеров, а другой часто приобретает повреждения различной степени;
   

Хищничество – взаимоотношение, при котором одна группа микробов использует другую как пищу (вибропиявка).

Антагонизм – тип отношений, когда один микроорганизм задерживает или подавляет рост и развитие другого. Антагонистические отношения в зависимости от эффекта бывают 3-х типов:

1. 
   бактериостатический – угнетается размножение бактерий;
   
2. 
   бактерицидный – бактерии убиваются антибиотиками;
   
3. 
   бактериолитический – клетки бактерий убиваются и растворяются;
   

Аменсализм – оба микроорганизма взаимно угнетают развитие друг друга.
ЛЕКЦИЯ №4.

Физиология микроорганизмов

Вопросы:

1.Химический состав клеток микроорганизмов.

2.Способы питания и поступления в клетку различных веществ

3.Типы питания и дыхания микроорганизмов.

4.Рост и развитие микроорганизмов.

1. Химический состав микроорганизмов. Вегетативные клетки микроорганизмов содержат до 85% воды. Сухое вещество тела состоит в основном из органических соединений и небольшого количества минеральных веществ. Среди органических веществ клетки на долю белков у бактерий приходится 50 – 80% от массы сухих веществ (у дрожжей 40 – 60%, у грибов 15 – 40%). Содержание жиров и липидов в клетках микроорганизмов составляет 3 – 7% (у дрожжей до 40% от массы сухих веществ).

Около 15% составляют минеральные вещества. В дрожжевой клетке 50% от всех неорганических соединений составляет фосфорная кислота и 30% - калий, остальное количество процентов от массы сухих веществ составляют углеводы. В дрожжевой клетке они представлениы в основном гликогеном, в клетках других микроорганизмов они встречаются в виде пентоз, гексоз, декстринов, клетчатки и гликогена. В клетках дрожжей содержатся витамины группы В и провитамин Д.

2.Способы питания и поступления в клетку различных веществ.

Питание – это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которого они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасных веществ.

Большинство микроорганизмов обладает голофитным способом питания или внеклеточным пищеварением, которое происходит в окружающей среде (субстрате) под влиянием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный тип питания, так называемое внутриклеточное пищеварение, которое происходит внутри клетки под действием эндоферментов.

Существует четыре механизма проникновения веществ из окружающей среды через клеточную мембрану в цитоплазму клетки.

1. 
   Пассивная диффузия. Переносимое вещество не взаимодействует специфически с компонентами клеточной мембраны. Оно проходит сквозь мембрану за счет градиента концентрации компонентов по обе стороны мембраны. То есть до тех пор, пока не установится равновесие между концентрациями внутри и снаружи клетки. Внутреннее напряжение бактериальной клетки (тургор) является одним из основных условий, обеспечивающих нормальное поступление в нее питательных веществ.
   
2. 
   Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. Кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком-переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики специфичны по отношению к субстрату.
   
3. 
   Активный транспорт. Совместно с белком-переносчиком функционирует специальная система, обеспечивающая процесс переноса с использованием энергии. Система связана с биологическим окислением в клетке, при котором в дыхательной цепи мембраны происходит выброс протонов, обеспечивающих мембранный потенциал. В процессе жизнедеятельности происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, вследствие чего их концентрация в клетке снижается. Таким образом, образовавшийся вне клетки комплекс переносчик-протон-субстрат, проникнув внутрь клетки, распадается за счет отсоединения протона, и субстрат остается в цитоплазме.
   
4. 
   Перенос групп. Отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в виде фосфорного эфира.
   

3. Типы питания микроорганизмов. По типу питания микроорганизмы делят в зависимости от источников потребления энергии и углерода, различают 2 группы в одном и другом случае. По отношению к энергии:

1. 
   фототрофы – организмы, которые пользуются энергией солнечного света;
   
2. 
   хемотрофы – пользуются энергией, заключающейся в разнообразных органических соединениях;
   

По отношению к углероду:

1. 
   автотрофы – микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода углекислый газ;
   
2. 
   гетеротрофы – получают углерод в составе органических соединений.
   

Таким образом все микроорганизмы можно разделить на 4 группы: фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В каждой из этих групп выделяют также органотрофы, которые получают энергию за счет разложения органических веществ, и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. То есть, возможно, 8 видов питания.

Источник энергии	Окисляемый субстрат	Источник углерода
		Органические соединения	Углекислый газ
Свет	Органические соединения	фотоорганогетеротрофный	фотоорганоавтотрофный
	Неорганические соединения	фотолитогетеротрофный	Фотолитоавтотрофный
Органические соединения	Органические соединения	хемоорганогетеротрофный	Хемоорганоавтотрофный
Неорганические соединения	Неорганические соединения	хемолитогетеротрофный	хемолитоавтотрофный

Наиболее широко распространены 2 вида питания: фотолитоавтотрфный (растения, водоросли, некоторые бактерии) и хемоорганогетеротрофный (все животные, грибы, некоторые бактерии). Остальные виды питания встречаются в специфических условиях. Микроорганизмы, которые питаются мертвой органической материей, - сапрофиты. По источникам азота их делят на 3 группы:

1. 
   могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (молочнокислые, гнилостные бактерии);
   
2. 
   могут развиваться при наличии одной или двух аминокислот, остальные синтезируют сами (многие грибы, актиномицеты);
   
3. 
   усваивают азот из атмосферы, затем восстанавливают азот до аммиака, из которого синтезируют аминокислоты (клубеньковые бактерии);
   

Типы дыхания микроорганизмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делят на 2 группы:

1. 
   аэробы – используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород;
   
2. 
   анаэробы – используют в качестве конечного акцептора какие-либо другие вещества.
   

4. Особенности развития и роста микроорганизмов. Все микроорганизмы проходят ряд стадий развития.

1 стадия – лаг-фаза: в это время происходит процесс приспособления бактерий к окружающей среде и процесс приспособления бактериями среды для последующего размножения. На этой стадии бактерии не размножаются, причины могут быть внешними и внутренними. Внешние: не вполне благоприятное значение рН; состав среды не совпадает с тем, к которому уже приспособились бактерии. Внутренние: отсутствие готовности клетки к делению, которое зависит от возраста посевного материала; в клетках повышенное содержание нуклеиновых кислот, увеличивается объем клеток. Длительность этой стадии имеет видовую специфичность.

2 стадия – фаза интенсивного размножения (экспоненциальная). В это время клетки снабжены питательными веществами и не накопили вредных продуктов обмена. Поэтому размножение имеет максимальную скорость.

По мере исчерпания запасов питательных веществ и накопления отбросов жизнедеятельности размножение замедляется, в определенный период количество вновь образующихся и умирающих клеток становится равным. Это 3 стадия – стационарный период.

4 стадия – фаза отмирания. В этот период преобладает отмирание клеток. Если в клетках не содержится активных протеолитических ферментов и нет условий для самопереваривания, то мертвые клетки остаются в среде, создается мутность среды. Если есть активные ферменты, мертвые клетки растворяются и общее число клеток в культуре сильно падает.

Культивирование микроорганизмов. Для выделения микроорганизмов из естественных субстратов, прежде всего, получают накопительные культуры в избирательных условиях. Избирательные (элективные) условия – это условия, благоприятные или переносимые выделенной культурой и неблагоприятные для всех других микроорганизмов. В этих условиях происходит обогащение микробного комплекса выделенными формами и угнетение других организмов. После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Чистая культура представляет собой потомство одной клетки.

В лабораторных условиях микроорганизмы культивируют на питательных средах, которые содержат все вещества, необходимые для их роста. Существуют специальные способы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.

ЛЕКЦИЯ №5.