|
Документ Microsoft Word (2). Российской Федерации Мичуринский филиал фгбоу во Брянский государственный аграрный университет Микробиология, санитария и гигиена в пищевом производстве Учебное пособие Брянск, 2015 2
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Мичуринский филиал ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Микробиология, санитария и гигиена в пищевом производстве Учебное пособие Брянск, 2015 2 УДК 664(07) ББК 36.83я73 М 59 М 59 Микробиология, санитария и гигиена в пищевом производстве: учебное пособие / Сост. Л.А. Панаскина - Брянск: Мичуринский филиал ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет», 2015. – 90 с. Учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования, изучающих дисциплину Микробиология, санитария и гигиена в пищевом производстве и имеет своей целью помочь в организации самостоятельной работы студентов и облегчить им изучение теоретического и практического курса дисциплины. Рецензенты: Начальник филиала № 17 ФГКУ службы социально-бытового обеспечения ФСБ России Акимова В.А. Преподаватель Мичуринского филиала Брянского ГАУ Осипова Н.И. Печатается по решению методического совета Мичуринского филиала ФГБОУ ВО "Брянский государственный аграрный университет" УДК 664(07) ББК 36.83я73 © Панаскина Л.А. 2015 © Мичуринский филиал ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет », 2015 3 Содержание стр. Введение……………………………………………………………………….. 4 Краткая история развития микробиологии………………………………… 5 Тема: Морфология микроорганизмов ……………………………………… 5 Тема: Физиология микроорганизмов……………………………………….. 15 Тема: Основные биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами и их значение в природе и практике………………….. 20 Тема: Влияние условий внешней среды на микроорганизмы…………….. 25 Тема: Возбудители пищевых отравлений ………………………………….. 29 Тема: Микрофлора почвы, воды, воздуха………………………………….. 35 Тема: Микробиология питьевого молока и сливок…………………….. 37 Тема: Микробиология кисломолочных продуктов……………………….. 40 Тема: Микробиология мяса…………………………………………………. 46 Тема: Микробиология рыбы и рыбных продуктов………………………… 52 Тема: Микробиология хлебопекарного производства……………………. 60 Тема: Личная гигиена работников общественного питания………………. 66 Тема: Пищевые заболевания и их профилактика…………………………….. 69 Тема: Санитарно-эпидемиологические требования к благоустройству предприятий………………………………………………………………….. 71 Тема: Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, оборудованию и содержанию……………………………………………… 76 Тема: Санитарно-эпидемиологические требования к транспортировке и хранению продукции…………………………………………………………. 79 Тема: Санитарно-эпидемиологические требования к обработке сырья, производству и реализации кулинарной продукции……………………… 85 Список используемой литературы………………………………………….. 90 4 ВВЕДЕНИЕ Микробиология - одна из биологических наук, изучающая строение, жизнедея- тельность, закономерности и условия развития микроскопических организмов, видимых только с помощью увеличительных приборов (микроскопов). Размеры многих из них настолько малы, что в капле воды их могут быть миллионы. К числу микроорганизмов относятся бактерии, актиномицеты, грибы, в том числе мицелиальные грибы, дрожжи, мельчайшие водоросли, простейшие (одноклеточные) животные организмы и неклеточные формы - вирусы, фаги. Ниже приведены основные отличия микроорганизмов от других живых существ, обитающих на Земле. 1) Микроскопические размеры, 2) одноклеточное строение (большинство), 3) чрезвычайная распространенность в окружающей среде, вездесущность (повсюду: в почве, воде, воздухе, на поверхности тела, в кишечнике человека и животных, на поверхности растений обитают самые разнообразные виды бактерий, грибов, дрожжей и пр.), 4) высокая скорость размножения, 5) интенсивность обмена, 6) многообразие форм метаболизма и его пластичность. Микроорганизмы играют чрезвычайно важную роль в природе - осуществляют круговорот органических и неорганических веществ, минерализуют растительные и животные остатки. Но могут приносить большой вред - вызывая порчу сырья, пищевых продуктов, органических материалов. При этом могут образовываться токсические вещества. Многие виды микроорганизмов являются возбудителями болезней человека, животных и растений. В то же время микроорганизмы в настоящее время широко используются в народном хозяйстве: с помощью разных видов бактерий и грибов получают органические кислоты (уксусную, лимонную и др.), спирты, ферменты, антибиотики, витамины, кормовые дрожжи. На основе микробиологических процессов работают хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство молочнокислых продуктов, квашение плодов и овощей, а также другие отрасли пищевой промышленности. В настоящее время специализировались основные разделы микробиологии: Медицинская микробиология - наиболее "старая" по времени микробиологическая дисциплина - изучает патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения этих болезней. Изучает пути и механизмы их распространения и методы борьбы с ними. Ветеринарная микробиология - то же в отношении животных. К курсу медицинской и ветеринарной микробиологии примыкает обособленный курс - вирусология. Техническая микробиология - рассматривает особенности и условия развития микроорганизмов, используемых для получения соединений и препаратов, используемых в народном хозяйстве. Она разрабатывает и совершенствует научные методы биосинтеза ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и других биологически активных веществ. Перед технической микробиологией стоит также задача разработки мер предохранения сырья, продуктов питания, органических материалов от порчи микроорганизмами, исследование процессов, протекающих при их хранении и переработке. Почвенная микробиология изучает роль микроорганизмов в образовании и 5 плодородии почвы, в питании растений. Водная микробиология исследует микрофлору водоемов, ее роль в пищевых цепях, в круговороте веществ, в загрязнении и очистке питьевой и сточных вод. Генетика микроорганизмов, как одна из наиболее молодых дисциплин, - рассматривает молекулярные основы наследственности и изменчивости микроорганизмов, закономерности процессов мутагенеза, разрабатывает методы и принципы управления жизнедеятельностью микроорганизмов и получения новых штаммов для использования их в промышленности и сельском хозяйстве. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ Заслуга открытия микроорганизмов принадлежит голландскому натуралисту А. Левенгуку (1632 - 1723), создавшему первый микроскоп с увеличением до 300 раз. В 1695 г. он издал книгу «Тайны природы» с рисунками кокков, палочек, спирилл. Это вызвало большой интерес среди естествоиспытателей. С каждым годом увеличивалось число "охотников за микробами" и росло число описываемых видов, однако, состояние науки того времени позволяло только описывать новые виды (морфологический период). Этот период продолжался до середины XIX в. Начало физиологического периода связано с деятельностью великого французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895 г.). С именем Пастера связаны наиболее крупные открытия в области микробиологии: исследовал природу брожения, установил возможность жизни без кислорода (анаэробиоз), отверг теорию самозарождения, исследовал причины порчи вин, пива. Предложил действенные способы борьбы с возбудителями порчи продуктов (пастеризация), болезней человека и животных. Р. Кох, современник Пастера, ввел посевы на плотные питательные среды, подсчет микроорганизмов, выделение чистых культур, стерилизацию материалов. И. Мечников - открыл учение о невосприимчивости организма к инфекционным заболеваниям (иммунитет), явился родоначальником фагоцитарной теории иммунитета, раскрыл антагонизм у микробов. Гамалея Н. Ф. - основоположник иммунологии и вирусологии, открыл бактериофагию. Виноградский С. Н. - основоположник экологии почвенных микроорганизмов. Омелянский В. Л. - раскрыл роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе - углерода, азота, серы, железа, открыл целлюлозоразрушающие бактерии. Исаченко Б. Л - автор работ в области водной микробиологии. Лебедев А. И., Костычев С. П. - раскрыли химизм процесса спиртового брожения. Шапошников В. Н. - усовершенствовал бродильные производства. Многие исследователи работали и работают в настоящее время в области пищевой микробиологии, специализируясь в ее разных отраслях - хлебопечении, виноделии, консервировании, переработке мясных, рыбных, молочных продуктов и т.д. ТЕМА: МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ План лекции: 1. Морфология бактерий 2.Систиматика бактерий 6 3.Вирусы и фаги 4. Морфология и систиматика грибов. 1. Морфология бактерий Известно, что универсальной биологической единицей всего живого является клетка. Клетки разных организмов построены однотипно. Важнейшими компонентами их являются три типа макромолекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Биосинтез органических веществ осуществляется сходным образом, что объединяет разные организмы в единый мир живых существ. Однако наряду с чертами сходства в последние годы при изучении строения клетки с применением электронной микроскопии выявлены существенные различия в структуре клеток различных организмов. Наиболее резкие различия установлены между бактериями с одной стороны и всеми остальными организмами (низшими и высшими) с другой. Эти различия дали основания разделить живые существа на две противоположные группы: прокариоты (доядерные и эукариотные истинно- ядерные). К прокариотам, как отмечалось выше, отнесены бактерии, цианобактерии (сине- зеленые водоросли), а к эукариотным- грибы, в т.ч. дрожжи, одноклеточные водоросли, простейшие В клетках прокариот отсутствует истинное ядро и ядерная мембрана, нет ядрышка. Ядерный аппарат представлен одной хромосомой, расположенной непосредственно в цитоплазме. Прокариоты не имеют митохондрий, хлоропластов и других органоидов, характерных для эукариотов. Они содержат функциональные аналоги этих органоидов, которые не четко дифференцированы. Не развита сеть внутриклеточных мембран, фотосинтетический аппарат у цианобактерий и фотосинтезирую-щих бактерий представлен в виде простых пластинчатых образований (тилакоиды). В составе клеточной стенки преобладает специфический гетерополимер - муреин пептидогликан (только для прокариот). Клетка эукариот характеризуется более сложным строением, она имеет настоящее (истинное) ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом, постоянный для каждого вида организмов. В цитоплазме клетки расположены вакуоли, пластиды, митохондрии, все органеллы четко ограничены от цитоплазмы собственными мембранами. Основными веществами в составе клеточных стенок у эукариот (грибов, растений) являются хитин, целлюлоза. Различия в структуре клеток прокариот и эукариот относятся к числу самых крупных биологических "разрывов", отмеченных в эволюции органического мира. Прокариоты рассматриваются как реликтовые формы, появившиеся на первых этапах биологической эволюции еще в анаэробных условиях. Несмотря на простоту организации клетки, прокариоты в процессе развития приобрели разносторонние физиолого-биохимические функции, обеспечивающие многообразие метаболических путей и как следствие - широкое распространение в природе. Развитие эукариотов произошло значительно позже - с появлением кислорода в атмосфере и рассматривается как гигантский скачок в эволюции организмов, проявившийся в усложнении структурной организации и морфологической дифференциации. Формы клеток, особенности строения и функции структурных элементов прокариотной (бактериальной) клетки. 7 Палочковидные, шаровидные и извитые. Размеры в микрометрах (мкм) 1 мкм=0,001 мм. В среднем диаметр тела кокков-0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных - 2-5 мкм. Клеточная стенка (оболочка) бактериальной клетки служит механическим барьером для предохранения содержимого клетки от вредного действия окружающей среды. Придает клетке определенную форму и сохраняет ее. В составе клеточной стенки прокариот преобладает специфическое полимерное соединение - пептидогликан (муреин), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов. Известно, что одним из важнейших показателей при определении рода и вида бактерий служит окраска по Граму. Все бактерии делятся на Грам+ (положительные) и Грам- (отрицательные). Такое разделение основано на способности клеток окрашиваться фиолетовым красителем (генцианвиолетом) и не обесцвечиваться (или наоборот) спиртом, ацетоном. Этот метод окраски введен впервые в 1884 году датским физиком Христианом Грамом и используется как важнейший таксономический признак. Установлено, что свойство бактерий окрашиваться или не окрашиваться по Граму обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У Грам+ клеточные стенки более толстые, многослойные. Высокая интенсивность размножения имеет для бактерий большое биологическое значение. Она обеспечивает сохранение микроорганизмов в окружающей среде. При изучении роста бактерий необходимо разграничивать рост или увеличение размеров клеток от роста культуры, т.е. от увеличения числа особей в данной бактериальной популяции, которое происходит в результате процессов размножения. Численность особей в культуре устанавливается прямыми и косвенными методами подсчета. К прямым методам относятся: 1)микроскопический подсчет клеток в счетной камере или на мембранных фильтрах (этим методом учитывается общее число живых и мертвых клеток). 2)подсчет колоний на чашках Петри с питательной средой. Здесь определяется только число жизнеспособных клеток, которые на питательной среде образовали колонии. Косвенными методами считаются: 1)учет количества клеток с помощью прибора нефелометра по степени рассеяния света, которая увеличивается с увеличением числа клеток, 2)учет бактериальной массы взвешиванием или по содержанию общего азота. Совокупность бактерий, развивающихся в ограниченном объеме среды, представляет собой бактериальную популяцию. Размножение популяции в замкнутой среде протекает в определенной закономерности. Различают четыре основных фазы: начальная (лаг-фаза), логарифмическая (экспоненциальная), стационарная и фаза отмирания. Лаг-фаза имеет место от засева клеток в питательную среду до достижения максимальной скорости роста. Размножения почти не происходит, клетки приспосабливаются к условиям (иногда мешает избыток питательных веществ), синтезируют индуцибельные (адаптивные) ферменты, белки, увеличиваются размеры клеток. Длительность лаг-фазы зависит от состава среды (чем она полноценнее по составу, тем короче лаг-фаза), от количества и возраста клеток (чем старше культура и меньшее число клеток, тем лаг-фаза продолжительнее). В логарифмической фазе все клетки находятся в состоянии активного деления. Нарастание количества клеток идет в геометрической прогрессии. Продолжительность 8 генерации, т. е. время между двумя последовательными делениями клетки, минимальная. Продолжительность скорости размножения в экспоненциальной фазе различна у разных видов бактерий. В процессе роста культуры происходит изменение состава среды, накапливаются продукты распада. Рост культуры замедляется и наступает стационарная фаза. Число жизнеспособных клеток перестает увеличиваться. Количество появляющихся клеток - примерно равно количеству отмерших. После достижения стационарной фазы начинается фаза отмирания. В этой фазе отмирание клеток превышает скорость их размножения. Отмирание происходит в результате истощения питательной среды, накопления продуктов распада, старения клеток, спонтанного автолиза, т. е. под действием собственных ферментов (главным образом, протеолитических). Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии - чаше всего неподвижны, извитые - подвижны, палочковидные - подвижны и неподвижны. Их движение осуществляется за счет жгутиков. Скорость движения различна и не зависит от числа жгутиков. Движение клеток может быть направленным - таксисы. Фимбрии (волоски или ворсинки) - эти нитевидные структуры образуются у всех бактерий. Они короче и тоньше жгутиков и покрывают всю поверхность клетки. Служат для объединения клеток или прикрепления их к субстратам. Спорообразование у бактерий. При неблагоприятных условиях развития (недостаток питательных веществ, влаги и т. д.) у некоторых видов бактерий (преимущественно у палочковидных родов Bacillus, Clostndium) в клетках образуются споры. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора). При образовании споры в клетке происходит сложный физиологический процесс. Клетка обезвоживается, идет концентрирование цитоплазмы, образуется специфическое для споры вещество дипиколиновая кислота. Дипиколинат Са является основным веществом оболочек споры. С наличием его, а также высоким содержанием липидов связывают высокую термоустойчивость спор по сравнению с вегетативными клетками. Пример: вегетативные клетки Bacillus subtilis отмирают при нагревании до 75° в течение 1-2 мин, споры - при 120° в течение 30 мин. Споры сохраняют свою жизнеспособность (но не жизнедеятельность, т. к. это покоящееся состояние клетки) неограниченное время. Попадая на подходящую питательную среду, спора прорастает и превращается в вегетативную форму. Споры имеют округлую или овальную форму. У Clostndium диаметр споры превышает ширину клетки, клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки. Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки бактерий. Знание условий, способствующих образованию спор у бактерий, и условий, вызывающих их прорастание, имеет большое значение в выборе способа обработки продуктов для предотвращения их микробной порчи. 2. Систематика бактерий (прокариот) Классификация - это распределение микроорганизмов по группам (таксонам). Таксон - группа организмов, обладающих заданной степенью однородности. Определяющей единицей в таксономии является вид, виды объединяются в ро- ды, роды - в семейства, несколько семейств - порядок, несколько порядков - класс, классы составляют отдел - царство. (К. Линней "Систематика природы"). 9 При определении вида бактерий необходимо установить основные морфологические, культуральные и физиолого-биохимические признаки. Морфологические признаки: форма и тип соединения клеток, окраска по Граму, подвижность, спорообразование. Культуральные признаки: характер роста на жидких и плотных питательных средах (осадок, пленка, форма, размер, структура, цвет и др. признаки колоний). Физиолого-биохимические признаки отношение к температуре, рН, влажности, кислороду, усвоение углеводов, разложение желатины, крахмала, восстановление нитратов, воздействие на молоко и т. д. Только после изучения указанных признаков можно определить вид бактерий. Род можно определить при микроскопировании. Так же, как для растений и животных, для бактерий принята бинарная номенклатура: родовое и видовое название, например- Bacillus subtilis, Eschenchia coll. Краткий определитель бактерий Берги (М.: Мир 1980, с.487) Царство прокариот разделено на два отдела: цианобактерии (сине-зеленые водоросли) и бактерии. I отдел. Цианобактерии - фототрофы, осуществляют фотосинтез с выделением кислорода. Одно- и многоклеточные, образуют нити. Содержат хлорофилл, способны фиксировать азот, растут в экстремальных условиях, бедных питательными веществами (морской песок, голые скалы и т.д.). Термофильные виды развиваются в горячих водных источниках. 2 отдел. Бактерии. Разделен на 19 частей, из которых для пищевой промышленности и ихтиологии представляют интерес следующие группы. 1. Фототрофные бактерии (Фотосинтезирующие). Пурпурные и зеленые водные бактерии. Используют свет как источник энергии. Фотосинтез идет без выделения кислорода (аноксигенный, фиксируют азот воздуха). Представители пурпурных и зеленых бактерий существенно различаются по физиологическим признакам и видам пигментов. Пурпурные серные бактерии, окисляя H2S, образуют в качестве промежуточного продукта серу в клетках. Пурпурные несерные - окисляют H2S до сульфата, не образуя в качестве промежуточного продукта серы. Зеленые серные бактерии, как и пурпурные серные, окисляя H2S, образуют серу. Клетки палочковидные, спиральные. Грам-. Пигменты - хлорофиллы, каротиноиды, окраска разнообразная пурпурная, красная, оранжевая, коричневая, зеленая. 2. Хемолитотрофные бактерии Грам- (хемотрофы). Палочковидные, спираль- ные, сферические, спор не образуют. Подвижные, неподвижные. Фиксируют СО2. Энергию получают за счет окисления аммиака, нитритов, соединений серы. Аэробы. Бесцветные. Живут в почве, воде. Примеры Nitrobacter, Nitrosomonas, Thiobacillus. 3. Метанообразующие. Палочки или кокки. Грам+ и Грам-, подвижные и неподвижные. Спор не образуют. Строгие анаэробы, в качестве источника энергии используют образование метана путем восстановления С02 за счет окисления Н2, спиртов, кислот (доноры электронов) или путем сбраживания ацетата. Широко распространены в природе 10 болотистые почвы, горячие источники, сточные воды, пищевой тракт животных. От мезофилов до термофилов. 4. Палочковидные. Грам-, подвижные, аэробные, спор не образуют. Широко распространены в природе. Pseudomonas, Acetobacter и др. Разлагают белки, липиды, развиваются при любых температурах. Вызывают ослизнение, прогоркание, гниение продуктов (Pseudomonas). Halobactenum -солелюбивые, Acetobacter - уксуснокислые, Azotobacter - фиксируют азот. 5. Палочковидные. Грам-, подвижные и неподвижные, факультативные анаэро- бы, спор не образуют, обычные обитатели кишечника человека и животных, а также возбудители желудочно-кишечных заболеваний и отравлений. Санитарно- показательная микрофлора. Примеры - Eschenchia, Salmonella, Proteus, Erwima. 6. Шаровидные (кокки), Грам+, неподвижные, факультативные анаэробы, спор не образуют. Micrococcus, Streptococcus, Staphylococcus, Sarcma, Leuconostoc. Широко распространены в окружающей среде. Возбудители пищевых отравлений, патогенные, молочнокислые. 7. Палочковидные, Грам+, подвижные и неподвижные, аэробы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы, образуют споры. а). Бациллы (Bacillus). Аэробы, фак-анаэробы. Споры не превышают диаметра клетки. Bacillus subtilis, Bacillus cereus. б). Клостридии (Clostndium). Строгие анаэробы, споры превышают диаметр клетки (клостридии «ракетки»). Clostndium butyncum. Широко распространены в почве, многие являются возбудителями порчи пищевых продуктов, в т. ч. стерилизо- ванных консервов. Встречаются токсигенные виды (Clostndium botulmum, Cl.perfnngens). Встречаются патогенные (столбняк, сибирская язва). 8. Палочковидные, Грам+, неподвижные, спор не образуют. Микроаэрофилы. Lactobacillus (молочнокислые). 9. Актиномицеты. палочковидные неправильной формы, некоторые имеют разветвления. Грам+. В большинстве случаев разветвления не имеют перегородок, т.е. представляют как бы одну разветвленную клетку. Размножаются с помощью фрагментов "мицелия" или спор, образующихся на концах нитей мицелия. В отличие от обычных бактерий спорообразование у актиномицетов является одним из способов размножения. Неподвижны. Отношение к кислороду разное. При развитии на плотных питательных средах наблюдается прочное врастание в среду, образуют различные пигменты. Широко распространены в почве, попадая на пищевые продукты, придают им характерный "землистый" запах. Многие виды являются продуцентами антибиотиков. Устойчивы при сушке, замораживании продуктов. 4.Вирусы и фаги Это особая группа организмов - еще более мелких, чем бактерии, и более простой организации. Вирусы не имеют клеточной структуры, являются внутриклеточными паразитами и возбудителями многих инфекций человека, животных, растений. Данные электронной микроскопии показывают, что вирусы разнообразны по форме, размерам и химическому составу. Некоторые вирусы состоят только из белка и одной молекулы нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК. Другие помимо этого содержат еще липиды, полисахариды. Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Некоторые выдерживают нагревание до 90° в течение 10 мин. 11 Легко переносят высушивание, низкие температуры, но чувствительны к антисептикам, ультрафиолетовым и радиоактивным излучениям. Фаги. Это вирусы бактерий, вызывающие их распад (лизис). Фаги обладают специфичностью по отношению к определенным видам или группам микроорганизмов. Фаг с помощью фермента проникает в клетку и разрушает ее. В промышленности они приносят вред, в медицине используются для лечения и профилактики некоторых желудочно-кишечных заболеваний (дизентерия, холера). 5.Морфология и систематика грибов Плесневые грибы Грибы представляют собой обширную группу организмов, объединяющую около 100 000 описанных видов. Грибы - это низшие споровые растения, они не способны к фотосинтезу и нуждаются в готовых органических соединениях. Среди них встречаются сапрофиты, паразиты на растениях и животных и симбионты. Макрофиты и микрофиты. Большинство имеет мицелиальное строение тела. Мицелий или грибница представляет систему тонких ветвящихся нитей (гиф), которые пронизывают субстрат или находятся на его поверхности. У низших грибов грибница не имеет перегородок (несептированный мицелий). У высших - септированный (поделен на клетки). Строение грибов типично для эукариот. Клеточная стенка представляет собой плотную, упругую полимерную структуру и выполняет опорно-механическую и защитную функцию. Состоит на 80-90% из азотсодержащих и безазотистых полисахаридов (хитин и целлюлоза). Глюканы. Меланины - темноокрашенные пигменты. У ЦПМ функции те же, что и у клетки прокариотной. Грибная клетка имеет четко оформленное ядро с двойной мембраной, отграничивающей его от цитоплазмы, и определенным набором хромосом (от 3 до 28, чаще всего 8). Цитоплазма имеет много органелл - митохондрии, рибосомы, мезосомы, аппарат Гольджи (транспортная структура), лизосомы, запасные питательные вещества (волютин, липиды, пигменты, гликоген), вакуоли. Все органеллы эукариотной (грибной) клетки четко ограничены от цитоплазмы собственными мембранами. В целом грибная клетка имеет сильно разветвленную сеть внутриклеточных мембран (эндоплазматический ретикулум). Грибы в отличие от бактерий имеют три основных способа размножения вегетативное, бесполое и половое. Органы бесполого и полового размножения грибов разнообразны по строению и характеру образования и являются основой для их классификации. Вегетативное размножение. Размножение участками мицелия, делением, почкованием. При делении могут образовываться специальные фрагменты - артроспоры (оидии), хламидоспоры (головня). Бесполое размножение. При бесполом спорообразовании на мицелии образуются специализированные плодоносящие гифы, на которых формируются органы спороношения, характерные для каждого рода и вида грибов по строению, форме, цвету и т. д. Образование бесполых спор у одних грибов происходит в специальных вместилищах - спорангиях, у других - на конидиеносцах. Конидиеносцы могут образовывать коремии - пучок тесно сближенных конидиеносцев. Тесный слой на поверхности из переплетения 12 конидиеносцев образует ложе, пикниды (вместилища). Ложе - скопление коротких конидиеносцев. Бесполое размножение наиболее распространено у грибов. Половое размножение. В основе лежит слияние двух половых клеток - гамет. Состоит из трех стадий . плазмогамия, кариогамия, мейоз. Плазмогамия - слияние клеток и сближение ядер. Кариогамия - слияние ядер в одно диплоидное ядро. Мейоз - деление диплоидного ядра с редукцией числа хромосом и восстановление в ядрах гаплоидного набора хромосом. Последовательность по времени протекания указанных стадий у разных грибов различна. У грибов распространены двухядерность и многоядерность. При слиянии двух клеток в зависимости от класса грибов образуются зигоспоры, зооспоры, аскоспоры или базиди оспоры. Систематика грибов. При систематике (классификации) грибов основными признаками являютс. строение мицелия и типы полового и бесполового размножения. В соответствии указанными признаками все грибы в настоящее время объединены в шесть классов Хитридиомицеты. Мицелий слабо развит или отсутствует (одноклеточные). Раз множаются бесполым путем (зооспоры). Многие являются внутриклеточными паразитами низших и высших растений (синхитриум - рак картофеля, Olpidium - чер ная ножка капусты, Plasmodiophora - кила капусты). Оомицеты. Мицелий хорошо развит, неклеточный, многоядерный. Бесполое размножение с помощью зооспор с двумя жгутиками. При половом процессе образуются ооспоры (фитофтора - Phytophthora mfestans). Зигомицеты. Мицелий хорошо развит, неклеточный. Бесполое размножение происходит с помощью неподвижных спорангиоспор. Половое размножение происходит путем слияния недифференцированных половых клеток, в результате чего образуется зигоспора. К этому классу относятся грибы рода Mucor, Rhizopus. Mucor. Мицелий рыхло-войлочный, белый, серовато-белый, в дальнейшем буреющий или сероватый. Спорангии шаровидные, крупные на одиночных или ветвящихся спорангиеносцах. Rhizopus Образуют неветвящиеся, окрашенные в темно-бурый цвет спорангие- носцы, растущие пучками. У основания пучков имеются корневидные образования - ризоиды, с помощью которых гриб прикрепляется к субстрату. Спорангии крупные с темноокрашенными спорами выглядят в виде черных головок на спорангиеносцах (головчатая плесень). Mucor, Rhizopus широко распространены в природе, в почве, на растительных остатках, продуктах, кормах. Влаголюбивые, температурные границы от -5 до +40°С. Вызывают порчу плодов, овощей, болезни животных (му-кормикозы). Некоторые виды используются в промышленности для получения спирта, кислот, ферментов. Аскомицеты или сумчатые грибы. Различны по строению и свойствам. Мицелий хорошо развит, септированный. Описано около 30 000 видов. Характеризуются бесполовым размножение мицелиальных аскомицетов с помощью конидий. Конидиальное спороношение разнообразно. Конидиеносцы образуются на мицелии одиночно или группами. При половом процессе образуются аскоспоры в сумках (ас- ках). Сумки развиваются у многих грибов в плодовых телах разнообразной формы и 13 строения, характерных для отдельных представителей аскомицетов. Клейстотеций - закрытое плодовое тело у грибов Aspergillus, Penicillium. Перитеций - полузакрытое плодовое тело (кувшинообразное) с отверстием на вершине (спорынья). Апотеций - открытое чашевидное плодовое тело (сморчки, строчки). Род Aspergillus - одноклеточные неразветвленные конидиеносцы. На вздутиях образуются цилиндрические фиалиды (веером). От фиалид отщепляются цепочки конидий. Окраска конидий самая разнообразная - черная, зеленая, желтая и т. д. Обладают комплексом ферментов. Температура развития от 20 до 50°С. Разлагают белки, полисахариды, жиры. Мезофиты (фи=90-92%), но встречаются ксерофиты (фи=90-70%). Аэробы, но хорошо растут в толще влажного рыхлого субстрата. Могут образовывать токсические вещества (афлатоксины). Встречаются патогенные формы (аспергиллезы). Penicillium. Конидиеносцы многоклеточные, ветвящиеся Конидии голубой или серо-зеленой окраски. Конидиеносец заканчивается кисточкой. Образуют характерный запах плесени. При сушке зерна, муки запах переходит в затхлый. Температура развития от -5° до 25°С. Мезофиты. Некоторые виды образуют токсические вещества - патулин, рубротоксины, исландиотоксины и т. д. Некоторые грибы используются в производстве антибиотиков (пенициллин), другие - в производстве сыра (Pen. roqueforti, Pen. camamberti). К аскомицетам относятся также склеротиния (Sclerotmia) - возбудитель так называемой белой гнили плодов и овощей (морковь, бахчевые культуры и др. ). Спорынья (Claviceps) - паразит хлебных и кормовых злаков. Сморчки, строчки, трюфели - съедобные грибы. Базидиомицеты - высшие грибы с многоклеточным мицелием. Размножаются главным образом половым способом, путем образования базидий с базидиоспорами. Одноклеточные базидии цилиндрической или булавовидной формы несут на 4 стеригмах по одной базидиоспоре. Многоклеточные базидии состоят из четырех клеток, на каждой находится по одной базидиоспоре на стеригме. Базидии с базидиоспорами могут развиваться на мицелии, но у многих базидиомицетов образуются плодовые тела: шляпочные грибы, трутовиковые, в том числе домовые грибы. К базидиомицетам относятся многие паразитические грибы, большинство из которых не образуют плодовых тел. Это - головневые и ржавчинные грибы. Дейтеромицеты или несовершенные грибы. Это грибы с многоклеточным мицелием, у которых не обнаружено полового способа размножения. Большинство размножаются конидиями разнообразной формы, располагающимися на конидиеносцах, имеющих разное строение и внешний вид. Широко распространены в природе, объединяют до 30% всех известных видов грибов. Многие являются активными возбудителями порчи пищевых продуктов, болезней растений, животных. Fusanum - мицелий белый, розово-белый до тёмнокрасного. Размножается макро- и микроконидиями, имеющими серповидную или веретеновидную форму. Сидят на простых или слаборазветвленных конидиеносцах. Поражает зерновые и овощные культуры (картофель при хранении - "сухая гниль"). Зерно приобретает токсические свойства - "пьяный хлеб", "алиментарно-токсическая алейкия". Условия развития - высокая влажность (до 100%), умеренные и низкие температуры (до 0° и ниже). 14 Botrytis - имеет древовидно-разветвленные конидиеносцы, несущие на концах ветвей собранные в головки одноклеточные дымчатого цвета конидии. Вызывает "серую гниль" плодов, ягод, овощей. Гидрофит, требует влажности до 100%, температуры развития - умеренные (до 0°С). Alternaria - образует многоклеточные грушевидные темноокрашенные конидии, сидящие цепочками на слаборазвитых конидиеносцах. Различные виды широко распространены в почве и на растительных остатках. Поражает овощи (морковь), плоды (яблоки, цитрусовые). Образует черные и темно-оливковые пятна. Oidium - образует белый мицелий, гифы которого распадаются на овальные клетки (оидии). Молочная плесень Oidium lactis часто развивается в виде бархатистой пленки на поверхности квашеных овощей и молочно-кислых продуктов при их хранении. Гриб разлагает молочную кислоту, белки, жиры. Monilia - возбудитель порчи семечковых плодов. Cladosponum - имеет слабоветвящиеся конидиеносцы, несущие на концах короткие цепочки конидий. Мицелий, конидиеносцы, конидии - темного (до черного) цвета. Выделяют темный пигмент в среду (продукт). Дрожжи. Дрожжи - это одноклеточные немицелиальные грибы. Широко распространены в природе, форма клеток овальная, эллипсовидная, круглая, лимонообразная и пр. Строение клетки типичное для эукариот. Вегетативное размножение - почкование, деление. Бесполое и половое спорообразование наблюдается в неблагоприятных условиях (недостаток питательных веществ, влаги, пониженная температура и т.д.). Дрожжи, активно сбраживающие сахара, размножающиеся вегетативным путем, а также способные к спорообразованию, отнесены к классу грибов аскомицетов (аскомицетовые, сахаромицеты, истинные дрожжи). Типовой вид Saccharomyces cerevisia. Роль аска (сумки) при спорообразовании выполняет дрожжевая клетка, в которой образуется четное количество спор ( 4-8-12). Дрожжи используются в спиртовой, винодельческой, пивоваренной промышленности, а также в хлебопечении. В каждой отрасли используются специальные расы дрожжей. Дрожжи, не сбраживающие сахара (или сбраживающие их слабо), размножающиеся только вегетативным путем, но неспособные к спорообразованию, отнесены к классу несовершенных грибов (несахаромицеты, ложные дрожжи). Типовые представители - роды Candida, Torulopsis, Candida mycoderma - пленчатые дрожжи, являются вредителями бродильных процессов. (Вызывают прокисание пива, сухих вин, образуют пленки на квашеных плодах, овощах и т.д.). Некоторые виды (Candida albicans) являются патогенными (вызывают стоматит), некоторые виды используются как кормовые дрожжи (Candida utilis, C.tropicalis и др. ). Из отходов сахарной, целлюлозно-бумажной промышленности и др. они образуют белки, используемые в производстве комбикормов. Вопросы для самоконтроля 1. Основные направления развития современной микробиологии: техническая (промышленная), почвенная, медицинская, ветеринарная, гидромикробиология. 2. Химический состав и строение клеточных стенок у прокариотов и эукариотов. 3. Характеристика несахаромицетов (ложных). Роль в пищевой промышленности. 15 Кормовые дрожжи, их практическое использование. 4. Принципы классификации грибов образующих мицелий. Характеристика шести основных классов. 5. Образование эндоспор у бактерий, их функции. Причины высокой устойчивости эндоспор. Роль диникалиновой кислоты. 6. Классификация прокариот. Принципы классификации. ТЕМА: ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ План лекции: 1.Конструктивный обмен у микроорганизмов. 2.Энергетический обмен у микроорганизмов. Обмен веществ (метаболизм) живой клетки составляет основу жизнедеятельности любой клетки, а не только микробной. Обмен веществ состоит из двух взаимозависимых и в то же время взаимопротивоположных, протекающих одновременно процессов - конструктивного и энергетического обмена (анаболизма и катаболизма). Совокупность химических реакций, приводящих к построению вещества клетки, получила название конструктивного обмена. Совокупность химических реакций, протекающих в клетке с выделением свободной энергии, получила название энергетического обмена. Все химические реакции, связанные с обменом веществ, управляемые ферментами, протекают в определенной последовательности и гармонично сочетаются. Одно и то же вещество может служить источником энергии и материалом для синтеза компонентов клетки. Нередко используются и разные вещества. Конечные продукты обмена веществ выделяются в окружающую среду. Особенностью микроорганизмов является большое разнообразие обменных процессов, различные потребности в питательных веществах, различные способы получения энергии, необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при оптимальных условиях клетка потребляет пищу, масса которой в 30-40 раз больше массы самой клетки. 1. Конструктивный обмен у микроорганизмов Для построения вещества клетки необходимы следующие элементы: 1) биогены-С, N, Н, О, S, Р. 2) минеральные вещества - К, Са, Mg, Na, Cl, Fe и т.д. 3) микроэлементы - Си, J, Вr и т.д. 4) ростовые вещества - аминокислоты, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания (фрагменты нуклеиновых кислот); кислород и водород из воды, С и Н (входят в состав органических и неорганических соединений). Все элементы связаны в различные соединения, среди которых преобладает вода. Вода составляет 75-85% от массы клетки. Сухие вещества -15-25%. Из них - органические вещества составляют - 85-95% (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.). Минеральные вещества составляют - 5-15% (макро- и микроэлементы). Содержание белков у бактерий составляет 40-80% сухого вещества клетки, У дрожжей - 40-60%, мицелиальных грибов -15-40%. Белки, различающиеся по аминокислотному составу, входят в состав ферментов, рибосом, являются основным строительным материалом клетки. Нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) составляют основу ядерного аппарата (нуклеоид, ядро), входят в состав рибосом. 16 Углеводы - входят в состав мембран, являются энергетическим материалом, формируют запасные вещества (гликоген, гранулеза). Содержание углеводов у бактерий -10-30% сухого вещества, у грибов - 40-60%. Липиды - входят в состав мембран, но главным образом они формируют запасные вещества. Составляют 3-10% сухого вещества, но у отдельных видов ("жировые Дрожжи") достигают 40-60%. Пигменты. У фитотрофов - бактериохлорофиллы а, Ь, с, d (пурпурные, зеленые).] У гетеротрофов (бактерии, дрожжи) - каротиноиды (желтые, оранжевые, красные), продигиозин (красные), пульхерримин (красные дрожжи). Минеральные вещества - служат регуляторами осмотического давления в клетке, входят в состав ферментов, стимулируют рост и т.д. Питание микроорганизмов. Основой конструктивного обмена является питание клетки. Пища необходима для конструктивных и энергетических процессов, протекающих в клетке. Поступает в клетку из внешней среды. Известны два способа питания - голозойный и голофитный. Голозойный встречается у животных. Частицы пищи подвергаются перевариванию. Голофитный встречается у растений и микроорганизмов. Питательные вещества в виде истинных растворов поступают через всю поверхность клетки. Важнейшую роль играет ЦПМ, она обладает полупроницаемыми свойствами - пропускает молекулы истинных растворов (сахара, соли) и задерживает макромолекулы и агрегаты (белки, полисахариды, липиды). Клетки микроорганизмов осуществляют внеклеточное "переваривание" за счет определенных ферментов, выделяемых клеткой в окружающую среду. Поступление питательных веществ через ЦПМ осуществляется тремя путями. Первый путь - пассивная или простая диффузия. Этим путем поступают только некоторые вещества, но главным образом вода. Транспорт (перенос) большинства питательных веществ, растворенных в воде, осуществляется с помощью специальных веществ - переносчиков (белки), пермеаз. Они циркулируют между внешними и внутренними поверхностями ЦПМ. Молекулы пермеаз переходят на наружную сторону ЦПМ, захватывают молекулу вещества и переносят на внутреннюю сторону, затем они возвращаются. Действие пермеаз строго специфично, они захватывают только вещества, усваиваемые клеткой. Процесс идет очень быстро. Существуют два пути поступления питательных веществ с помощью пермеаз. Второй путь - облегченная диффузия. Движущей силой является разность концентраций в окружающей среде и в клетке, Перенос с помощью пермеаз идет по градиенту концентрации (от большей к меньшей) без затраты энергии. Проникают более разнообразные вещества по сравнению с простой диффузией. Третий путь - активный перенос. Против градиента концентрации (от меньшей к большей). Требует затрат энергия. Потребность в питании связана с наличием тех или иных пермеаз. Например, Escherichia coli имеет 8000 пермеаз только перенося- щих лактозу. Механизм переноса в клетках разных микроорганизмов - однотипен. Большинство питательных веществ поступает в клетку путем активного переноса. Р и S клетка получает из органических соединений. К, Na и другие элементы - в виде солей. Кислород и водород клетка получает из воздуха и воды. Основной признак деления по типам питания - источник углерода. Животные усваивают углерод в 17 органической форме - гетеротрофы, растения, усваивающие углерод в неорганиче- ской форме (СО2) являются автотрофами. Однако микроорганизмы нельзя отнести ни к животным, ни к растениям. Микробный мир представлен как автотрофами, так и гетеротрофами, т. е. существует тот и другой тип питания. Бактерии, грибы, дрожжи в большинстве гетеротрофы. Лучшим субстратом для них являются углеводы, но могут усваиваться белки, полисахариды, липиды, спирты и в меньшей мере органические кислоты. Микроорганизмы (их разные виды) способны усваивать почти все источники углерода, даже такие труднодоступные как продукты переработки нефти, мазут, гудрон и прочее. Наиболее усвояемы вещества с группами СН2ОН, СНОН, СОН, но почти не усваиваются соединения с группой СООН, т. е. органические кислоты. Гетеротрофы подразделяются на сапрофиты и паразиты. Сапрофиты питаются за счет "мертвых" субстратов, в том числе пищевых продуктов - органических материалов. Они осуществляют круговорот органических веществ в природе. Паразиты -это виды, развивающиеся за счет живых организмов - человека, животных, растений. В большинстве случаев паразиты являются условными, т. к. могут развиваться как в живой клетке, так и на искусственных средах. Могут менять свойства в зависимости от условий (пример - кишечная палочка). Безусловные паразиты - только вирусы. Автотрофы - усваивают углерод в неорганической форме - С02. Это в основном бактерии (см. дальше). Играют большую положительную роль в природе, т. к. обо- гащают почву, водоемы необходимыми органическими веществами. Однако деление Тип питания Источник углерода Источник энергии Доноры электронов Представители Фотоавтотрофы СО2 свет Н2S, Н2, Н2О Цианобактери, пурпурные и зеленые серные бактерии. Фотогеретрофы Простые органические соединения, Н2О, Н2, тиосульфат, орг. Кислоты, спирты и т.д. свет Органические соединения Несерные пурпурные бактерии Хемоавтотрофы СО2 Реакции окисления неорганич еских веществ Минеральные вещества (NН3, Н2S, Н2) Нитрофильтру ющие, серные и водородные бактерии (окисляют Н2 до воды). Хемоорганотрофы Орг. Соединения (углеводы, белки, липиды) Реакции окисления орг. веществ Орг. вещества Большинство 18 микроорганизмов на автотрофы и гетеротрофы можно считать условным, т. к. между ними существуют переходные формы. Некоторые автотрофы способны усваивать простые органические вещества, некоторым гетеротрофам свойственна способность фиксировать С02, что является весьма перспективным и выгодным с точки зрения практики. Типы питания микроорганизмов по источнику углерода представлены в таблице. Источники азота. Азотофиксаторы восстанавливают азот атмосферы в аммиак, который исполь- зуется в биосинтетических процессах. Свободноживущие (Аэробные - Azotobacter, Анаэробные - Clostr. Pasteunanum). Те и другие в качестве источника азота могут усваивать соли аммония, нитраты, нитриты и аминокислоты, но при отсутствии (или недостатке) связанных форм азота переходят на процесс азотофиксации. К активным азотофиксаторам относятся цианобактерии (сине-зеленые водорос- ли). Кроме свободноживущих азотофиксаторов существуют симбиотические, которые усваивают азот в симбиозе с бобовыми растениями (клубеньковые бактерии). Все азотофиксаторы играют исключительно важную роль в природе, т. к. обеспечивают почву и водоемы соединениями азота. Аминоавтотрофы - получают азот из неорганических соединений (аммиак, соли аммония, нитриты, нитраты). Аминогетеротрофы - получают азот из органических соединений (белки, пепто- ны, пептиды, аминокислоты). 2. Энергетический обмен у микроорганизмов Синтез, размножение, движение и другие процессы в клетке требуют затраты энергии. Источники энергии у микроорганизмов различны. У фототрофов - это свет. Световая энергия улавливается фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую. Источником энергии у хемотрофов является химическая энергия, получаемая в результате окисления кислородом воздуха неорганических соединений (NH3, H2S и др.). Гетеротрофы получают энергию в процессах окисления органических соединений. Окисление органических веществ может происходить двумя путями: 1.Прямое, т. е. присоединение к веществу кислорода. 2.Непрямое, т. е. дегидрогенирование (отщепление водорода (электрона) и перенос его на другое вещество, которое при этом восстанавливается). Вещество, отдающее водород (электроны), называется донором, вещество, присоединяющее их - акцептором. Перенос водорода от донора к акцептору осуществляется различными окислительно-восстановительными ферментами. В зависимости от конечного акцептора водорода гетеротрофы делятся на аэробы и анаэробы. Аэробные - окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора. Анаэробные в энергетических процессах не используют кислород. Конечными акцепторами водорода служат органические или неорганические соединения. Аэробные микроорганизмы - грибы, ложные дрожжи, многие бактерии окисляют органические вещества полностью до С02 и Н2О. Процесс этот называется аэробным дыханием. Основным энергетическим материалом являются углеводы. 19 Сравнение характеризует процесс в суммарном виде - показаны лишь исходный и конечный продукты окисления. Однако процесс этот многоэтапный и протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов, обязательным продуктом при этом является пировиноградная кислота (пируват - СН3СОСООН), Наиболее распространен гликолитический путь (путь ЭМП) расщепления глюкозы. Он довольно универсален и свойствен многим видам аэробных и анаэробных микроорганизмов. Гликолитическое расщепление глюкозы до пирувата происходит без участия кислорода (анаэробная стадия). У аэробных микроорганизмов пируват в дальнейшем подвергается полному окислению до С02 и Н2О, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н2) и декарбоксилирующих-ся (отщепляется С02). Электроны водорода, отщепляемые в цикле Кребса посредством коферментов дегидрогеназ, передаются по так называемой "дыхательной цепи" ферментов активированному цитохромоксидазой кислороду и соединяются с ним, в результате образуется вода. Некоторые аэробные гетеротрофы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ. При этом в среде накапливаются промежуточные недоокисленные продукты, главным образом органические кислоты - уксусная, лимонная, глюкуроновая и другие. Анаэробные микроорганизмы получают энергию в процессе брожения. Акцептором водорода служат при этом органические вещества, промежуточные продукты расщепления органического субстрата. Облигатные анаэробы (безусловные) (главным образом Clostndium), для которых кислород не только не нужен, но и вреден. Факультативные (условные), которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него (многие палочковидные бактерии, кокки, дрожжи). Во всех случаях происходит превращение глюкозы до пировиноградной кислоты (гликолиз). Дальнейшие превращения пирувата зависят от наличия тех или иных ферментов в клетках возбудителей различных типов брожения: спиртового, молочнокислого, маслянокислого и т. д. В анаэробных условиях некоторые микроорганизмы могут при окислении органических веществ использовать неорганические акцепторы водорода, которые при этом восстанавливаются (нитраты, сульфаты). Нитратное дыхание или денитрификация в природе играет отрицательную роль, т к приводит к обеднению почв азотом. Процесс осуществляется в результате жизнедеятельности разных видов Pseudomonas, Bacillus, в т. ч. термофильных бактерий, в условиях недостатка свободного доступа воздуха. Для борьбы с этим процессом рекомендуется рыхление почвы. Сульфатное дыхание или десульфофикация (десульфатация) протекает в водоемах (Черное море), на значительных глубинах, в болотистых почвах, в строго анаэробных условиях (возбудители Vibrio desulfuncans и др.). Образующийся избыток H2S приводит к замору рыбы, вызывает коррозию металлов и пр. Сероводородные грязи, водные источники используют в медицине. Использование энергии микроорганизмами Освобождаемая в процессах дыхания и брожения свободная энергия не может быть непосредственно использована клеткой. Энергия должна быть преобразована в биологически полезную форму - химическую энергию макроэргических фосфатных 20 связей, фосфороорганических соединений, главным из которых является АТФ. Только часть энергии окисления органических веществ резервируется в АТФ - откуда ее получает клетка по мере надобности. АТФ - "аккумулятор" энергии клетки. Значительное количество энергии в виде тепла рассеивается в окружающей среде. У аэробов в процессе дыхания при полном окислении одного моля глюкозы синтезируется максимальное число молей АТФ (38 молей всего), т.е. резервируется 1,6х106 Дж. Следовательно, аэробами с пользой расходуется около 50% энергии (от потенциального запаса 2,87х106 Дж) и около 50% теряется в виде тепла (идут процессы самосогревания). Вопросы для самоконтроля: 1. Что является основой конструктивного обмена ? 2. Типы питания микроорганизмов? 3. Типы дыхания микроорганизмов. ТЕМА: ОСНОВНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ, И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПРАКТИКЕ План лекций: 1. Спиртовое брожение. 3.Молочнокислое брожение. 4.Маслянокислое брожение. 5.Разложение пектиновых веществ микроорганизмами. 6.Разложение целлюлозы микроорганизмами 7.Разложение жиров и высокомолекулярных жирных кислот. 1. Спиртовое брожение Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи-сахаромицеты. Спиртовое брожение для дрожжей является способом получения энергии в анаэробных условиях. Химизм процесса в общих чертах заключается в том, что получающаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота при участии фермента пируватдекарбок-силазы декарбоксилируется (отщепляется С02) и образуется уксусный альдегид 2СН3СОСООН -» 2СН3СНО + 2С02 С02 является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Он при участии фермента ал- когольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД Н2 регенерируется (окисляется) в НАД. 2СН3СНО + 2НАД Н2 -» 2СН3СН2ОН + 2НАД Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт является завер- шающим этапом спиртового брожения. Наряду с основным продуктом (этиловым спиртом) в небольшом количестве образуются побочные продукты - глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла (смесь высокомолекулярных спиртов) и др. Глицерин образуется в начальном периоде брожения, когда еще нет уксусного альдегида, но образовавшийся фосфоглицериновый альдегид восстанавливается в фосфоглицерин, а затем превращается в глицерин. По мере накопления уксусного альдегида он становится 21 конечным акцептором и восстанавливается в этиловый спирт. Если в процессе брожения ввести в среду бисульфит (или сульфит) натрия, связывающий уксусный альдегид, то можно увеличить выход глицерина. 2С6Н1206 + Н20 = 2С3Н5(ОН)3 + С2Н5ОН + СН3СООН + 2СО2 Общие условия спиртового брожения. Концентрация сахара-10-15%. Наличие азотистого питания (аммонийные соли, аминокислоты и др.). рН 4- 5. В щелочной среде повышается выход глицерина, t = 28-30°С. Верховые дрожжи - ведут процесс при t = 25-28°C. Образуется пена, дрожжи выносятся наверх, а в конце оседают на дно (производство спирта, хлебопечение). Низовые дрожжи - ведут процесс при t = 5-10°С, пена незначительная, дрожжи оседают на дно в процессе брожения (пивоварение, виноделие). В производстве спирта используют спиртоустойчивые расы дрожжей (до 18-20% спирта). В хлебопечении используют прессованные, сухие, а также жидкие дрожжи. Хлебопекарные дрожжи должны обладать мальтазной активностью и образовывать большое количество С02. В производстве этилового спирта для пищевых целей используют крахмалистое сырье (картофель, зерно, отходы крахмало-паточного и сахарного производства - меласса, сахарная свекла). Из крахмалсодержащего сырья путем разваривания готовят затор, который подвергают осахариванию. Источником осахаривающих ферментов (амилаз) служат ячменный солод или грибная амилаза, полученная из грибов рода Aspergillus. В зерновом и грибном солоде кроме амилаз содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотосо- держащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат - сусло. Для получения технического спирта используют гидролизаты древесины и другие отходы целлюлозно-бумажной промышленности. В настоящее время технический спирт получают также синтетическим путем - из побочных продуктов переработки нефти (этилена). В производстве пива основным сырьем является ячменный солод. Из солода, воды и хмеля готовят пивное сусло, сусло подвергают брожению специальными видами (расами) пивных дрожжей. Это хлопьевидные дрожжи низового брожения. В производстве вин исходным материалом служит виноградный и плодово- ягодные соки. Соки сульфитируют (обрабатывают SO2), а затем подвергают брожению. Применяются специальные расы дрожжей для получения разных сортов вин. 2. Молочнокислое брожение Это есть превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты. По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии. Streptococcus lactis - мезофилы (t= 30-35°C). Образуют до 1% кислоты, минимальная t=10°C. Максимальная - 40°С. Бактерии соединены попарно или пред- ставляют короткие палочки. Streptococcus cremoris (сливочный стрептококк). Максимальная t=36-38°C, ми- нимальная - 10°С, оптимальная - 25°С. 22 Lactobaclilus acidophilus (ацидофильная палочка). Оптимальная t= 37-40°C, ми- нимальная - 20°С, образуют до 2,2% кислоты. Обеспечивает тягучесть продуктов. Lactobacillus buigaricus - крупные палочки, образующие длинные цепочки. Не сбраживают сахарозу. Оптимальная t= 40-45°C, минимальная t= 15-20°C, образуют 2,5- 3,5% кислоты. Эти бактерии содержатся в продуктах: айран, йогурт и т. д. Lactobacillus delbrueckii (зерновая термофильная палочка). Не сбраживает лактозу, в молоке не развивается. Оптимальная t= 45-50°C, минимальная t = 20°C, образует до 2,5% кислоты. Применяются в производстве молочной кислоты из зерновых отходов, в хлебопечении. Lactobacillus plantarum. (Молочнокислая палочка). Встречаются попарно или в виде цепочки. Оптимальная t = 30°C, образует до 1,3% кислоты. Основной возбудитель брожения при квашении овощей, плодов и силосовании кормов. При гомоферментативном процессе образуется при сбраживании Сахаров до 85- 90% молочной кислоты, почти нет побочных продуктов С6Н1206 = 2СН3СНОНСООН + О Химизм заключается в том, что образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается до молочной кислоты, почти нет побочных продуктов. СНзСОСООН + НАДН2 СНзСНОНСО+ Q Гетероферментативные бактерии. Lactobacillus brevis (капустная палочка), оптимальная t = 20-25°С. При сбраживании Сахаров образует, кроме молочной, уксусную кислоту, этиловый спирт, С02. Химизм при гетероферментативном процессе определяется своеобразием комплекса ферментов, отличающегося от группы гомоферментативных бактерий. При отсутствии у них фермента альдолазы в начальной стадии превращений глюкозы после фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород), декарбокси- лируется (отщепляется С02). Фосфоглицериновый альдегид превращается в пиро- виноградную кислоту, как у гомоферментативных бактерий, которая затем превра- щается в молочную кислоту. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт (пентозофосфатный путь). Leuconostoc mesentenoides, Bifidobacterium - целая группа кишечных бактерий, образующих молочную кислоту и другие вещества при сбраживании разных Сахаров. 3. Маслянокислое брожение Это сложный процесс превращения Сахаров в анаэробных условиях в масляную кислоту. С6Н1206 = СН3СН2СН2СООН + 2С02 + 2Н2 +Q Кроме основных продуктов при брожении образуются побочные продукты ацетон, этиловый, бутиловый спирты, уксусная кислота. Химизм маслянокислого брожения - это гликолиз до стадии образования пиро- виноградной кислоты. Пировиноградная кислота расщепляется до ацетилкоэнзима А (СН3СОКоА), СО2 и Н2. Две молекулы коэнзима конденсируются и через ряд превращений образуется масляная кислота. Возбудители Clostndium butyncum - строгие анаэробы Способны сбраживать не 23 только сахара, но и расщепляют крахмал, пектиновые вещества и т. д. Они широко распространены в природе - почве, на дне водоемов (в иле), в навозе, а также на плодоовощном сырье и в пищевых продуктах. В народном хозяйстве приносят значительный ущерб, вызывая порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, молочных продуктов, низкокислотных консервированных плодоовощных продуктов - компотов, соков, вспучивание сыров и т д Пропионовокислое брожение. Propiombacterium - Грам+, неподвижные, спор не образуют, форма палочковид- ная, встречаются раздвоенные, изогнутые и даже слегка разветвленные структуры. Микроаэрофилы. Сбраживают сахара, спирты, кислоты. ЗС6Н1206 = 4СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2С02 + 2Н2О 2СН3СНОНСООН = 2СН3СН2СООН + СН3СООН + С02 + Н20 Участвуют в созревании сыров, присутствуют в пищевом тракте животных, образуют витамин В12. 4. Разложение пектиновых веществ микроорганизмами Пектиновые вещества представляют собой полисахариды трех типов протопектин - водонерастворимая составная часть клеточной стенки, пектин - водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащий мети-лэфирные связи, пектиновая кислота - водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей. Пектиновые вещества содержатся в мякоти и кожице плодов, ягод. При кипяче- нии образуют желе (после застывания). Бактерии и грибы могут разлагать пектиновые вещества в аэробных и анаэробных условиях. Аэробные - Bacillus (Вас. macer-ans, Вас. polymyxa), а также многие грибы. Анаэробные - Clostndium (Cl. pectmovo-rum, Cl. felsmeum). Пектины разрушаются и под влиянием фитопатогенных грибов и бактерий, которые проникают в ткани плодов, овощей и вызывают болезни типа гнилей. Микроорганизмы синтезируют три группы экзоферментов, катализирующих распад пектиновых веществ. Протопектиназа катализирует разложение протопектина до пектина. Пектинэстераза гидролизует метилэфирную связь пектина с образованием пектиновой кислоты и метилового спирта. Пектиназа - разрушает связи между моносахаридными остатками галактуроно- вой кислоты, пектина или пектиновой кислоты. Распад пектиновой кислоты может быть выражен следующей схемой: С46Н68040 + пН20 = СНО(СНОН)4СООН + С6Н12О6 + С5Н1005 + С5Н10О5 + СН3ОН + СН3СООН пектиновая к-та галактуроновая к-та галактоза ксилоза арабиноза метанол уксусная к-та Продукты распада пектиновой кислоты (сахара) окисляются или сбраживаются разнообразной микрофлорой. В анаэробных условиях - это маслянокислое брожение. Пектиновое брожение используется при мочке волокнистых растений (лен, конопля, кенаф и т. д.). Разложение пектиновых веществ в аэробных условиях это "гнили" плодов и овощей. Размягчение консервированных огурцов вызывают возбудители Bacillus. 5. Разложение целлюлозы микроорганизмами В состав целлюлозы (клетчатки) входит более 50% всего органического углерода 24 биосферы. Целлюлоза - наиболее распространенный полисахарид растительного мира; высшие растения на 15-50% состоят из целлюлозы. Целлюлоза - полисахарид, молекула которого состоит из остатков глюкозы. Полисахаридные цепи объединяются в пучки, покрытые общей оболочкой, они составляют целлюлозные волокна. Это достаточно стойкое органическое соединение, но в природе оно достаточно интенсивно разрушается широко распространенными микроорганизмами в разных условиях доступа воздуха, t, pH, влажности и т.д. При аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2 и Н20. При анаэробных - она превращается в этиловый спирт, уксусную, молочную, муравьиную кислоты, угле- кислый газ, водород. Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков. В практике может приносить большой вред, разрушая древесину, бумагу, хлопковое волокно и т. п. Гемицеллюлозы наряду с пектинами входят в состав межклеточного вещества растений. В значительных количествах они содержатся в древесине, соломе, куку- рузных початках и т. п. Эти гетерополисахариды состоят из пентоз (ксилозы, араби- нозы) или гексоз (глюкозы, маннозы, галактозы) и называются пентозаны (ксилан или арабан), маннаны и т.д. Эти вещества активно разлагаются грибами, аэробными и анаэробными бактериями. Ферменты, разлагающие их, - гемицеллюлазы. Древесина содержит от 15 до 30% лигнина в расчете на сухое вещество. Лигнин содержится в растениях разных видов, особенно много его в древесине, он пред- ставляет собой полимер фенольной природы. При окислении лигнин расщепляется с образованием альдегидов. Очень устойчивое соединение, разлагается медленнее целлюлозы, в основном грибами базидиомицетами. 6. Разложение жиров и высокомолекулярных жирных кислот Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Под действием разнообразных физических и химических факторов внешней среды, а также микроорганизмов, жиры могут подвергаться значительным трансформациям. Первая стадия их разрушения - гидролиз, осуществляется фер- ментом липазой. С3Н5(С18Н3502)3 + ЗН20 -» С3Н5(ОН)3 + ЗС18Н3602 тристеарин глицерин стеариновая кислота Микроорганизмы возбудители - Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Oidium, Aspergillus, Penicilhum. Глицерин используется многими микроорганизмами и может быть полностью окислен до С02 и Н2О. Жирные кислоты разрушаются медленнее и накапливаются в субстрате, в результате чего растет "кислотное число" жира в продукте, что свидетельствует об ухудшении его качества. В дальнейшем под действием микроор- ганизмов, обладающих,кроме липолитических ферментов (липаз), окислительным ферментом (липоксигеназой), катализируется окисление ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. В результате образуются перекиси, оксикислоты, альдегиды, кетоны и др. вещества, придающие жиру специфические неприятные вкус (прогоркание) и запах. Промежуточные продукты в конечном счете окисляются до С02 и Н20. 25 Вопросы для самоконтроля 1. Получение энергии микроорганизмами а анаэробных условиях. Брожение. Основные черты химизма. Примеры. 2. Спиртовое и глицериновое брожение. Возбудители. Условия и химизм процесса. Использование в отраслях промышленности. 3. Разложение жиров и жирных высокомолекулярных кислот. 4. Механизм поступления веществ в клетку (пассивная, облегченная диффузия, активный транспорт). 5. Типы питания микроорганизмов. 6. Маслянокислое брожение, его химизм. ТЕМА: ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов зависит от условий окружающей среды. Условия физические факторы (влажность, t, концентрация веществ в среде, лучистая энергия), химические (реакция среды (рН), действие некоторых органических кислот, антисептики), биологические (взаимоотношения микроорганизмов с другими организмами в среде). План лекции: 1.Физические факторы 2. Химические факторы 3. Биологические факторы 1. Физические факторы Различают следующие физические факторы: температура, высушивание, концентрация растворенных веществ, лучистая энергия, ультрозвук и др. Влажность. В клетках микроорганизмов содержится до 75-85 % воды. Питательные вещества поступают в клетку в виде водных растворов и в таком же виде выделяются из нее продукты жизнедеятельности. Если влажность субстрата понижается, то интенсивность размножения и жизнедеятельности микробов замедляется, а при удалении влаги ниже определенного уровня она полностью прекращается. Минимальная предельная влажность среды, при которой еще возможно развитие бактерий 20 -30 %. В высушенном состоянии жизнедеятельность микроорганизмов не проявляется, но они могут сохранять жизнеспособность в течение длительног
|
|
|
Скачать 169.68 Kb.