Материал по микробиологии. Теоретический материал по микробиологии. Микробиология пищевых производств
 Скачать 0.61 Mb.
|
Наличие молекулярного кислородаПо своему отношению к кислороду микроорганизмы условно делятся на несколько групп. Облигатные аэробы нуждаются в молекулярном кислороде для окисления питательных веществ и осуществления аэробного дыхания. Это значительная часть микроорганизмов, живущих на различных поверхностях и в верхних слоях почвы и водоемов (например, Micrococcus luteus). При культивировании аэробных микроорганизмов необходимо создать условия доступности молекулярного кислорода, так как его растворимость в воде невелика (при 20оС - 6,2 мл/л). Для этого применяют выращивание в тонком слое среды или обогащение ее кислородом различными способами (перемешивание, барботирование и т.д.). Среди аэробов выделяют группу микроорганизмов-микроаэрофилов, которым кислород необходим, но в концентрации ниже атмосферной (менее 5%). Такие организмы встречаются на границе анаэробной и аэробной зон в естественных местообитаниях. К ним относятся многие тионовые и железоокисляющие бактерии (в том числе, представители родов Beggiatoa, Galionella), а также пресноводные спириллы (Spirillum volutans). Факультативные анаэробы способны переключать свой обмен веществ в зависимости от наличия или отсутствия кислорода с аэробного дыхания на анаэробные процессы. Как правило, в присутствии кислорода такие микроорганизмы растут быстрее и накапливают больше биомассы. К факультативным анаэробам относятся Saccharomyces cerevisiae, многие энтеробактерии (E. coli) и бациллы. Облигатные анаэробы не нуждаются в кислороде для своей жизнедеятельности, более того, в его присутствии происходит угнетение или гибель клеток. В эту группу входят метанобразующие археи, гомоацетогенные бактерии, большинство сульфатредукторов, некоторые грибы и простейшие. При культивировании облигатных анаэробов используют специальные приемы. Кислород удаляют из среды кипячением, сосуды тщательно укупоривают резиновыми пробками с металлическими колпачками, газовую фазу культивационного сосуда заменяют на азот или аргон. Для удаления следовых количеств кислорода в среду вносят восстановители (сульфид натрия) и в дальнейшем поддерживают анаэробные условия, исключая попадание кислорода при пересевах. Группа аэротолерантных анаэробов также не использует кислород в метаболизме, однако некоторое количество кислорода в среде не влияет на их жизнедеятельность. В эту группу входят молочнокислые бактерии и некоторые патогенные стрептококки (Streptococcus pyogenes). Химические факторы Влияние химических веществ на микроорганизмы различно в зависимости от природы химического соединения, его концентрации, продолжительности воздействия на микробные клетки. В зависимости от концентрации химическое вещество может быть источником питания или оказывать угнетающее действие на жизнедеятельность микроорганизмов. По механизму действия химические вещества, обладающие противомикробной активностью, можно подразделить на несколько групп: 1. Поверхностно-активные вещества (жирные кислоты, мыла и прочие детергенты) вызывают снижение поверхностного натяжения, что приводит к нарушению функционирования клеточной стенки и цитоплазматической мембраны микроорганизмов. 2. Фенол, крезол и их производные вызывают коагуляцию микробных белков. Они используются для дезинфекции заразного материала в микробиологической практике и инфекционных больницах. 3. Окислители, взаимодействуя с микробными белками, нарушают деятельность ферментов, вызывают денатурацию белков. Активными окислителями являются хлор, озон, которые используют для обеззараживания питьевой воды. Хлорпроизводные вещества (хлорная известь, хлорамин) широко употребляют в целях дезинфекции. Окисляющими свойствами обладают перекись водорода, перманганат калия, йод и др. 4. Формальдегид применяют в виде 40% раствора (формалин) для дезинфекции. Он убивает вегетативные и споровые формы микроорганизмов. Формалин блокирует аминогруппы белков микробной клетки и вызывает их денатурацию. 5. Соли тяжелых металлов (ртуть, свинец, цинк, золото и др.) коагулируют белки микробной клетки, вызывая этим их гибель. Ряд металлов (серебро, золото, ртуть и др.) оказывают бактерицидное действие на микроорганизмы в ничтожно малых концентрациях. 6. Красители (бриллиантовый зеленый, риванол и др.) обладают свойством задерживать рост бактерий. Растворы ряда красителей применяют в качестве антисептических средств, а также вводят в состав некоторых питательных сред для угнетения роста сопутствующей микрофлоры. Типы взаимоотношений микробов в биоценозах (биологические факторы). Микроорганизмы жестко конкурируют между собой. Это связано с тем, что обитающие в конкретном биоценозе микробы обладают принципиально сходными потребностями в источниках энергии и питания. Каждый микроорганизм приспосабливается не только к неживым субстратам, но и к другим окружающим его организмам. Подобная адаптация иногда приводит к приобретению особых метаболических свойств, наделяющих обладателя способностью занимать специфические ниши. Например, нитрифицирующие бактерии могут расти без органических источников энергии, окисляя аммиак или нитриты в качестве источника энергии в отсутствие света; другие организмы в подобных условиях не развиваются. Поэтому нитрифицирующие бактерии не испытывают биологической конкуренции. Значительная часть бактерий участвует в конкурентной борьбе, адаптируясь к сосуществованию с другими формами жизни либо вступая с ними в противодействие. Симбиоз. Примером симбиоза могут служить взаимоотношения между некоторыми молочнокислыми бактериями и дрожжами (молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают условия, благоприятные для роста дрожжей, а продукты жизнедеятельности дрожжей — витамины стимулируют развитие молочнокислых бактерий), азотфиксирующими микробами и целлюлозоразлагающими бактериями, сожительство аэробов, поглощающих кислород, с анаэробами и др. Подобного рода взаимоотношения часто наблюдаются между микроорганизмами и растениями (например, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, микориза — сожительство различных грибов с корнями растений), а также между микробами и животными. Взаимоотношения, при которых микроорганизм располагается вне клеток хозяина (более крупного организма), известны как эктосимбиоз; при локализации внутри клеток — как эндосимбиоз. Типичные эктосимбиотические микробы — Escherichia coli, бактерии родов Bacteroides и Bifidobacterium, Proteus vulgaris, a также другие представители кишечной микрофлоры. Взаимоотношения симбиотического характера имеют следующие формы. Метабиоз— такое существование, когда продукты жизнедеятельности одних видов микробов представляют собой материалы для питания и развития других видов. Например, сапрофиты расщепляют, натуральные белки до пептонов, аминокислот и других, более простых соединений. А эти продукты служат исходным материалом для нитрифицирующих бактерий, которые переводят аммиачные соли в азотистую, а затем в азотную кислоту. Дрожжи превращают сахара в этиловый спирт, а уксуснокислые бактерии окисляют его в уксусную кислоту. Эта форма взаимоотношений распространена среди почвенных микробов и лежит в основе круговорота веществ в природе. Комменсализм (от лат. соm + mensa — сотрапезники) — разновидность симбиоза, при которой выгоду извлекает только один партнер (не принося видимого вреда другому). Микроорганизмы-комменсалы колонизируют кожные покровы и полости организма человека (например, желудочно-кишечный тракт), не причиняя «видимого» вреда; их совокупность — нормальная микробная флора (естественная микрофлора). Типичные эктосимбиотические организмы-комменсалы — кишечная палочка, бифидобактерии, стафилококки, лактобациллы. Многие бактерии-комменсалы принадлежат к условно-патогенной микрофлоре и способны при определённых обстоятельствах вызывать заболевания макроорганизма (например, при внесении их в кровоток во время медицинских манипуляций). Мутуализм(от лат. mutuus — взаимный) — взаимовыгодные симбиотические отношения. Так, микроорганизмы вырабатывают БАБ, необходимые организму хозяина (например, витамины группы В). При этом обитающие в макроорганизмах эндо- и эктосимбионты защищены от неблагоприятных условий среды (высыхания и экстремальных температур) и имеют постоянный доступ к питательным веществам. Из всех видов мутуализма наиболее удивительно культивирование некоторых грибов насекомыми (жуками и термитами). С одной стороны, это способствует более широкому распространению грибов, с другой — обеспечивает постоянный источник питательных веществ для личинок. Сателлизм. Некоторые микроорганизмы способны выделять метаболиты, стимулирующие рост других микроорганизмов. Например, сарцины или стафилококки выделяют ростовые факторы, стимулирующие рост бактерий рода Haemophilus. Нередко совместный рост нескольких видов микробов активирует их физиологические свойства. Подобные взаимоотношения известны как сателлизм (от лат. safeties — сопровождающий) Тема: «Обмен веществ и энергии у микроорганизмов». 3.1. Способы получения и использования энергии микроорганизмами. Дыхание — обязательное условие жизни. Оно обеспечивает обмен веществ и энергии, лежащей в основе жизненных процессов любого организма. Энергия, которая образуется при дыхании, используется на внутриклеточные процессы; промежуточные продукты используется для синтеза более сложных органических веществ. Распределение энергии происходит следующим образом: 1) до 50% - идёт на процессах синтеза клеточного вещества, 2) около 20% - на поддержание жизнедеятельности, 3) от 30 до 75% - теряется в форме тепла. Использование энергии микроорганизмами. Освобождаемая при окислении органических веществ энергия запасается (аккумулируется) в связях молекул АТФ, имеющих одну простую (2-3 тыс. ккал) и две макроэргических (10 тыс. ккал) связи. АТФ является источником, откуда организм берёт энергию для удовлетворения своих жизненных потребностей. Однако в АТФ аккумулируется лишь около 50% энергии, остальная её часть переходит в тепловую и рассеивается в окружающую среду. Этим и объясняется нагревание бродящих субстратов: например, при спиртовом брожении температура поднимается на 2 - 3 С. По той же причине происходит самосогревание навоза, сена, силоса, хлопка, зерна - когда из-за повышенной влажности в них развиваются различные микроорганизмы. Процессы самосогревания часто приводят к самовозгоранию. У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение энергии в форме световой (опята, гнилушки, морские животные). Светящиеся бактерии преимущественно аэробы и свечение всегда связано с кислородом. Большинство светящихся бактерий имеют резко выраженную потребность в NaCl, что говорит об их морском происхождении. Свечение микроорганизмов связано с образованием в их теле фотогенных веществ, способных далее интенсивно окислятся кислородом (например, вещество люцеферин). Излучаемый бактериями свет может быть разной силы и разного цвета: от синевато - зелёного (фотобактериум фосфореум) до оранжевого (фотобактериум пфлюгери). Некоторые бактерии излучают настолько сильный свет, что могут давать самотофотографии. Чем больше кислорода, тем интенсивнее свет. Свечение какого-либо предмета объясняется наличием в нём светящихся микроорганизмов. 3.2. Дыхание микроорганизмов. Типы дыхания. Физиологическая роль дыхания. Дыхание - это совокупность биохимических окислительно- восстановительных процессов, сопровождающихся выделением тепловой энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности микробов, и образованием продуктов полного окисления ( С02 и Н20). В протоплазме клетки постоянно должны совершаться процессы, освобождающие энергию, т.к синтез углеводов, жира, аминокислот и белковых веществ не может осуществляться без затрат постоянной энергии. В этом одно из важнейших значений процессов дыхания. Дыхание изучали Бах, Костычев, Палладин - русские учёные. При дыхании роль доноров Н играют органические или неорганические соединения, а акцепторами Н всегда служат неорганические соединения. Мир микроорганизмов по типам дыхания делиться на следующие группы: 1) Аэробы — развиваются только в присутствии 02 и осуществляют процесс дыхания с использованием 02 в качестве акцептора Н (грибы, водоросли, некоторые дрожжи). 2) Анаэробы — развиваются в без кислородной среде и используют в процессе дыхания неорганические соединения (сульфаты, нитраты, карбонаты, и т.д.) в качестве акцептора Н. 3) Факультативные анаэробы — растут и в присутствии и в отсутствии 02: они образуют АТФ путём дыхания (с 02) или брожения (без 02) (молочно-, маслянокислые, денитрифицирующие бактерии). Типы дыхания: аэробное, анаэробное и неполное окисление. При анаэробном дыхании глюкоза окисляется связанным кислородом окисленных соединений, например, солей азотной, серной кислот, углекислоты, которые превращаются при этом в более восстановленные соединения: a) 2HN03+12H+-->N2+6H20+2H+ б) H2S04+8H+ --> H2S+4H20 Различают нитратное дыхание - используется кислород нитратов и нитритов (а) (род Bacillus, Pseudomonas) и сульфатное дыхание –используется кислород сульфатов(б) (род Desulfovibrio, Desulfomonas). При анаэробном дыхании происходит в достаточной степени полное окисление органического или неорганического вещества без использования молекулярного кислорода и выделяется довольно большое количество энергии (на 10% ниже, чем при аэробном дыхании). Неполное окисление: некоторые аэробные микроорганизмы окисляют органические вещества в процессе дыхания не полностью, а лишь частично: при этом накапливаются промежуточные продукты окисления, преимущественно органические кислоты (фумаровая, лимонная, молочная, глюконовая). При неполном окислении энергетического материала освобождается небольшое количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остаётся в продуктах неполного окисления. Например, некоторые плесневые грибы в определённых условиях окисляют сахар в процессе дыхания с образованием воды и различных органических кислот (яблочной, щавелевой, янтарной). Уксусно - кислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды: С2Н50Н+02 -> СНЗСООН+Н20+116 ккал. этиловый спирт уксусная кислота Некоторые из окислительных процессов, осуществляемых микроорганизмами, используются в промышленности при производстве уксуса, лимонной кислоты и т.д. При аэробном дыхании глюкоза окисляется непосредственно атмосферным кислородом. Суммарная реакция процесса дыхания: С6Н1206 + 602 -► 6С02 + 6Н20 + Q (28,8*10 в 5 степени). В уравнении указаны исходные и конечные продукты. Однако аэробное дыхание состоит из двух фаз: Первая - включает в себя серию реакций, благодаря которым органический субстрат окисляется до С02 и атомов Н+. В этой фазе происходит гликолиз и цикл Кребса. Гликолиз - это превращение глюкозы под действием специфических ферментов до пировиноградной кислоты. Цикл Кребса (ди- трикарбоновых кислот): Глюкоза----гликолиз---- П.К аицетил Ко фермент_-- Щ.У.К---- лимонная-- изоцетратдегидрогиназа---щавелевоянтарная --_декарбоксилаза--_ альфакетаглютаровая--кетаглютаратдегидрогиназа--янтарная--сукцинатдегидрогиназа -- фумаровая-- _фумараза--яблочная --_малатдегидрогеназа_-- Щ.У.К. Ферменты цикла Кребса располагаются на внутренней стороне цитоплазматической мембраны или на мембранах мезосом микроорганизмов. Суммарная реакция цикла Кребса: СНЗСОСООН+2Н2О ->2СО2+8Н+ Значение цикла Кребса: 1) Это один из центральных механизмов, с помощью которых все источники углерода используются для синтеза соединений, необходимых для жизни микроорганизмов. 2) Даёт вещества, легко превращающиеся в аминокислоты, белки, жиры, углеводы и т.д., которые затем становятся частью структуры клетки . У некоторых микроорганизмов, усваивающих простые источники С (уксусная кислота), имеется модифицированная форма цикла Кребса - глиоксилатный цикл. Во второй фазе аэробного дыхания идёт окисление освобождающихся атомов Н+, кислородом с образованием АТФ. В целом обе фазы ведут к образованию С02, Н20, биологически полезной энергии (в виде АТФ и других соединений). Таким образом, дыхание – обязательное условие жизни всех живых организмов. Среди аэробных микроорганизмов особое место занимают хемосинтезирующие автотрофные бактерии, окисляющие минеральные вещества. 3.3. Способы и типы питания микробной клетки. Питательные вещества используются м/орг-ми, во-первых, как строительный материал (поступают через мембрану); во-вторых, как источник энергии. Особенности питания м/орг-ов заключаются в следующем: 1) для них характерна интенсивность обменных реакций: при благоприятных условиях клетка перерабатывает пищи в 20-25 раз больше, чем её вес, 2) микроорганизмы растительного происхождения не имеют специальных органов питания и выделения. По способу питания м/орг-мы делятся на голозойные и голофитные. М/орг-мы с голозойным типом питания характеризуется усвоением питательных веществ в виде мелких частиц, крупных молекул. Они имеют ротовой аппарат, пищеварительную и выделительную системы. Этот способ характерен для микроскопических и высших животных. Например, пищей для амёб и инфузорий являются бактериальные клетки. При голофитном способе - питательные в-ва поглощаются в виде молекул и ионов всей поверхностью тела, т. к. отсутствует ротовой аппарат. Наблюдается работа не только эндоферментов (внутренних), но и экзоферментов (внешней оболочки). Классификация микроорганизмов по типам питания. микроорганизмыы автотрофы гетеротрофы фототрофы хемотрофы сапрофиты паразиты литотрофы органотрофы литотрофы органотрофы           1)Автотрофы - в качестве единственного источника углерода используют СО2, а из него синтезируют сахара. 2) Фототрофы - для создания энергии вещ-ва используют солнечную энергию. 3) Хемотрофы - используют энергию химических реакций (дыхания, брожения). 4) Органотрофы - используют углерод органического происхождения. 5) Литотрофы - используют углерод неорганического происхождения. Например, тип питания зелёных водорослей - авто - фото - литотрофный. 6) Гетеротрофы - питаются за счёт других организмов. 7) Сапрофиты - живут за счёт мёртвых органических материалов. 8) Паразиты - растут и развиваются в тканях живых организмов. Так, молочно - кислые бактерии используют молочный сахар, который вырабатывается животными, а вирусы живут в клетках животных и человека, 3.4. Значение основных элементов питания для микроорганизмов. Типичная бактериальная клетка состоит из 1. Н2О - 70-80% от веса клетки. Вода может находится в свободном или в связанном состоянии. Свободнаявода расхожая, легко подвижная, теряется клеткой, является регулятором температуры клетки. Связанная вода входит в состав белков, жиров, углеводов. Такая вода прочно удерживается клеточными компонентами; она не расходуется, но обеспечивает устойчивость клеток к неблагоприятным факторам. Значение воды: 1) Н2О - растворитель органических и минеральных соединений. 2) Н2О - принимает участие во многих биохимических реакциях. 3) Поступление и удаление веществ осуществляется с Н2О 2. Сухое вещество: 1) Белки - входят в состав ядра, цитоплазмы, откладываются в запас в виде гранул: а) протеины - простые белки, б) протеиды - сложные белки. Для бактериальной клетки особое значение имеют нуклеопротеиды – в их синтезе основную роль играют РНК и ДНК. Белозерскийпоказал, что содержание нуклеопротеидов составляет 10-30% от сухого в-ва. Для молочно - кислых бактерий характерно содержание волютина. 2) Углеводы (от 10 до 30%). Основная масса представлена полисахаридами (клетчатки нет). Полисахариды сосредоточены в клеточной стенке и капсуле; связаны с белками или свободные. В состав молекул ДНК и РНК входят дезоксирибоза и рибоза. У дрожжей, сенной палочки обнаружены включения типа гликогена (животного крахмала), гранулёзы. 3) Жиры (около 10%) - это запасные вещества: а) Липиды - (истинные жиры) - соединения глицерина и жирной кислоты, б) липоиды - (жироподобные в-ва) - обладают большой физиологической активностью и участвуют в обмене веществ. В состав бактериальной клетки входят и минеральные вещества: макро -, микро - и ультрамикроэлементы. Макроэлементы - от 10 до 0.01% от сухого веса м/орг-ов (N, Р, Са, К,Mg, S). Микроэлементы - от 0.01 до 0.0001% (Мn, Сu, Fe, Zn, В, Br, J и др). Ультрамикроэлементы - составляют менее 0.0001% (это редкоземельные благородные металлы: Au, Ag, и т.д.). Кроме того, в бактериальной клетке содержатся стимуляторы роста, ферменты, витамины, антибиотики. Физиологическая роль отдельных элементов питания. Азот (N) - биогенный элемент жизни. Входит в состав АМК, белков, служит материалом для создания белковой молекулы. Самые доступные источники N - NH4, NH3. Некоторые м/орг-мы способны усваивать азот из воздуха и обогащать пахотный слой почвы (актиномицеты, бактерии, нек-рые водоросли). Сера (S) - является необходимым компонентом белковой молекулы, участвует в построении АМК, солей. Источник S – сернокислые молекулы. Фосфор (Р) - входит в состав РНК, ДНК, АТФ, АДФ, ферментов (т.е. в состав энергетических компонентов). Источник Р - соли фосфорных и ортофосфорных кислот. Калий (К) - участвует в углеводном обмене, в синтезе клеточного вещества. Источник - соли К. Магний (Mg) входит в состав хлорофилла у зелёных и пурпурных бактерий. Источник - соли Mg. Микроэлементы - входят в состав ферментов и регулируют обмен в-в; обеспечивают протекание реакций синтеза, распада, окисления - восстановления, изомеризация; выполняют транспорт в-в. 3.5. Механизм переноса веществ через цитоплазматическую мембрану. Основным барьером при поступлении или выведении веществ является цитоплазматическая мембрана. В зависимости от способа прохождения веществ в сквозь ЦПМ различают: 1) Пассивная диффузия - проникновение в-в через ЦПМ осуществляется под действием разности концентраций или разности потенциалов. Наиболее легко проходят Н2О, О2 и некоторые ионы. Пассивная диффузия не требует затрат энергии. 2) Облегчённая диффузия - перенос веществ осуществляется с помощью молекул - переносчиков (пермиазы- белковые образования, выполняющие функцию ферментов). Обеспечивает проникновение в клетку веществ с крупным молекулярным весом. Не требуется затрат энергии. 3) Активный транспорт веществ - процесс идёт с затратами энергии, которая образуется в результате дыхания или брожения. В-во из внешней среды может передвигаться вверх по градиенту концентрации (из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией). 4) Перенос групп веществ - заключается в том, что в-во внешней среды не может пройти в цитоплазму в своём первоначальном виде. Оно подвергается изменению и лишь в активной форме проникает внутрь. Процесс характерен для углеводов - они проникают в клетку в виде фосфорных эфиров. Следует отметить, что все процессы в микробной клетке протекают при помощи ферментов. Ферменты - это биологические катализаторы, которые образуются внутри живой клетки и там действуют. Эндоферменты - вырабатываются клеткой и участвуют во внутриклеточных реакциях. Экзоферменты - выделяются на поверхности клеточной стенки и участвуют в питании м/орг-ов; они расщепляют сложные молекулы белков, жиров, углеводов. Основные группы ферментов: 1) Гидролазы -осуществляют реакции гидролиза. 2) Оксидоредуктазы - участвуют в окислительно - восстановительных реакциях. 3) Трансферазы- участвуют в транспорте отдельных групп атомов. 4) Изомеразы - участвуют в реакциях изомеризации, т.е. при превращении одних веществ в другие в результате внутримолекулярной перегруппировки атомов. Характерно для веществ группы углеводов. 5) Лиазы - осуществляют присоединение или отрыв атомных группировок только по месту двойных связей. 6) Лигазы (синтетазы) - участвуют в реакции синтеза веществ. Механизм ферментного катализа. Ферментати́вный ката́лиз (биокатализ) - ускорение химических реакций в клетках организма специальными белками – ферментами. Ферментативный катализ отличается чрезвычайно высокой эффективностью – реакции ускоряются в десятки и сотни тысяч (вплоть до миллионов и миллиардов) раз. Другая особенность биокатализа – его строгая специфичность: определённый фермент всегда катализирует лишь определённый тип реакции. Поэтому в многочисленных химических реакциях, одновременно протекающих в клетках, участвует огромное количество ферментов. Ферментативному катализу присуще также свойство регулируемости, т.е. изменение количества и вида вырабатываемых клетками ферментов и их активности в зависимости от потребностей организма. Эти особенности биокатализа обусловлены уникальной структурой молекул ферментов; вместе с тем он основан на тех же закономерностях, что и обычные химические реакции. |