Жизнедеятельность бактерий

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

?ХАБАРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И ПРАВА?

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Хабаровск 2009 г.

1. Питание бактерий

2. Способы поступления питательных веществ в клетку.

3. Классификация бактерий по типам питания, источникам энергии и электронам.

4. Пропионовокислое брожение, основные участники пропионовокислого брожения, их характеристика, использование пропионовокислых бактерий в народном хозяйстве.

1. Питание бактерий

Бактерии представляют обширную группу мельчайших и в большинстве одноклеточных организмов. Основными элементами, влияющими на рост и развитие бактерий, являются: азот, углерод, кислород, водород, фосфор, сера, которые входят в состав белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Эти элементы требуются в значительных количествах — макроэлементы. Микроэлементы, необходимые в микромолярных количествах, — это ионы таких металлов, как хром, кобальт, медь, цинк, молибден, марганец, никель, селен, вольфрам, ванадий, обычно входящие в состав ферментов и кофакторов.

2. Способы поступления питательных веществ в клетку

Поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена в окружающую среду происходит у микроорганизмов через всю поверхность тела. У микроорганизмов очень большая по сравнению с объемом всасывающая пищу поверхность клетки, что обусловливает весьма активный обмен веществ. Поступление питательных веществ в клетку сложный процесс.

Возможность проникновения веществ извне в клетку обусловлена многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны или вступать с ними в химические соединения; концентрацией веществ в клетке и в среде; электрическим зарядом клетки и другое.

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

Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью. Она служит осмотическим барьером, проницаемость её для различных веществ неодинакова.

Наиболее известны два пути проникновения веществ в клетку: осмос и адсорбция (специфический перенос). Активная роль в этих процессах принадлежит цитоплазматической мембране.

О с м о с представляет собой диффузию веществ в растворах через полупроницаемую перепонку (мембрану). Как известно, через такие мембраны могут диффундировать вещества, находящиеся в состоянии истинных растворов. Возникает осмос под действием разности осмотических давлений в растворах по обе стороны полупроницаемой мембраны.

Величина осмотического давления раствора зависит от молярной концентрации растворённых в нём веществ. В относительно слабых растворах осмотическое давление изменяется пропорционально концентрации растворённых веществ. Чем больше разность осмотических давлений (концентраций растворов) по обе стороны полупроницаемой мембраны, тем с большей интенсивностью осмотирует растворитель (вода) в раствор с большим осмотическим давлением. Осмотируют растворённые в воде вещества; при этом каждое диффундирует в соответствии с его собственным (парциальным) осмотическим давлением, то есть в раствор с его меньшей концентрацией.

Оболочка клетки проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана клетки обладает полупроницаемостью; она является осмотическим барьером, регулируя поступление в клетку и выход из неё растворённых веществ. Вещества, не растворимые в воде или образующие коллоидные растворы (например, белки, крахмал), непосредственно не могут быть использованы клеткой. Они могут проникнуть в неё лишь после расщепления на более простые вне клетки, что и происходит в среде с помощью экзоферментов микробов.

Таким образом, при осмотическом проникновении питательных веществ в клетку движущей силой служит разность осмотических давлений между средой и клеткой. Такой пассивный перенос веществ не требует затраты энергии и протекает до выравнивания концентрации с наружным раствором. Поскольку поступившие в клетку вещества включаются в реакции конструктивного и энергетического обмена, концентрация некоторых из них будет ниже, чем в среде, и поступление данных веществ возможно до полного исчерпания их из субстрата.

Если осмотическое давление микробных клеток, обусловленное растворёнными в клеточном соке веществами, несколько выше, чем в среде, то за счёт притока из неё воды в клетке создаётся определённое упругое напряжение, называемое тургором. Протопласт клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка растягивая её.

Если микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объёме, и протопласт отстаёт от клеточной оболочки. Это явление называется плазмолизом клетки.

При чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды может наступить плазмоптис клетки — явление, обратное плазмолису, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Второй путь поступления веществ в клетку — активный — путём переноса их особыми, локализованными в цитоплазматической мембране веществами ферментной природы. Эти переносчики, называемые пермеазами, обладают субстратной специфичностью. Каждый транспортирует только определённое вещество, имеющее сходную с белком-переносчиком стереохимическую структуру молекулы. На внешней стороне цитоплазматической мембраны переносчик адсорбирует вещество — вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне её транспортируемое вещество в цитоплазму. Вещество может поступать и тогда, когда концентрация его в клетке больше, чем в среде. При таком переносе веществ затрачивается энергия. При этом транспортируемое вещество может подвергнуться изменению, например из не растворимого в мембране переходит в растворимое состояние.

Цитоплазматическая мембрана, таким образом, является не только осмотическим барьером, но и обладает избирательной проницаемостью.

3.Классификация бактерий по типам питания, источникам энергии и электронам.

Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизмов в химических элементах, входящих в состав их тела.

Микроорганизмы отличаются большим разнообразием типов питания. Одни питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ все сложные компоненты клетки. Другие микроорганизмы, подобно животным организмам, нуждаются в органических соединениях.

Требования различных микроорганизмов в отношении питательных веществ, особенно источников углерода и азота, весьма разнообразны и специфичны.

Углеродное питание. Углерод относится к числу важнейших органогенов и, как указывалось, составляет около 50% сухой массы клетки. По источнику углеродного питания микроорганизмы можно разделить на две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные (сами себя питающие) микроорганизмы способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Синтез органических веществ из минеральных соединений требует затраты энергии. Среди автотрофных микроорганизмов имеются виды, которые ассимилируют углекислый газ, как и зеленые растения, используя солнечную энергию, — их называют фотосинтезирующими. Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими.

К фотосинтезирующим микроорганизмам относятся водоросли, обладающие хлорофиллом, и некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии. В клетках пурпурных бактерий находится зеленый пигмент бактериохлорофилл, сходный с хлорофиллом высших растений. В клетках зеленых бактерий также находится в небольшом количестве бактериохлорофилл, но имеется и другой фотосинтетический пигмент (хлоробиум — хлорофилл), химическая природа которого пока не установлена.

Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода, как у зеленых растений, а роль воды (как источника водорода для восстановления СО2) у большинства выполняет Н2S; при этом в клетках накапливается сера. Все фотосинтезирующие бактерии содержат также каротиноиды (от желтого до красного цвета). Роль пигментов аналогична хлорофиллу растений — поглощение световой энергии.

К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотную кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии), а также закисное железо в окисное (железобактерии). Процесс хемосинтеза у микроорганизмов был открыт С. Н. Виноградским.

Гетеротрофные (питающиеся другими) микроорганизмы в качестве источника углерода используют органические соединения и перестраивают их в вещества своих клеток. К таким организмам относятся многочисленные бактерии, грибы и дрожжи.

Большинство гетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождений. Такие организмы называются с, а п р о ф и т, а м и. К ним относятся все те микроорганизмы, которые разлагают различные органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья.

Некоторые гетеротрофы являются паразитам и (паратрофами); они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав этих организмов. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.

Однако резкую грань между этими подгруппами гетеротрофов не всегда можно установить. Отдельные виды болезнетворных микробов могут существовать во внешней среде как сапрофиты и, наоборот, некоторые сапрофиты в определенных условиях вызывают заболевания у людей, животных и растений.

Многие сапрофиты «всеядны», т. е. способны использовать в качестве источника углерода разнообразные органические соединения — углеводы, спирты, органические кислоты, белки и др. Некоторые проявляют резко выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода и используют только определенные вещества или даже одно из них. Такие микроорганизмы называют «субстрат-специфичными». Примерами могут служить целлюлозные бактерии, для которых клетчатка является единственным источником углерода, а также углеводородные бактерии, использующие углеводороды. Подобная избирательность наблюдается у дрожжей в отношении сахаров.

Примером специфичности может также служить различное отношение микроорганизмов к изомерным соединениям. Так, гриб Оidiит lаtсis усваивает изобутиловый спирт и не усваивает нормальный бутиловый. Последний является хорошим источником углерода для гриба Asреrgi11иs пiger, а изобутиловый спирт этот гриб не потребляет. Как видно, имеет значение даже структура молекулы. Вещества, являющиеся хорошим источником углерода для одних, могут быть непригодны и даже токсичны для других.

Гетеротрофы наряду с органическими соединениями используют и СО2, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ тела.

Специфичностью отношений микроорганизмов к источнику углеродистой пищи определяется круговорот углерода в природе. Эта особенность гетеротрофов проявляется и при порче многих пищевых продуктов, при смене развития одних форм другими.

Азотное питание. Источники азота — элемента, необходимого для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других азотсодержащих веществ клетки, — у микроорганизмов могут быть также очень разнообразными.

Наиболее высокими требованиями обладают паразиты, развивающиеся только за счет органических азотсодержащих веществ того организма, в котором они паразитируют.

Известны сапрофиты (молочнокислые и некоторые гнилостные бактерии), которые тоже не могут синтезировать белки своего тела из простых азотсодержащих соединений. Развитие их возможно лишь при наличии в среде сложных органических форм азота (пептонов, пептидов) или полного набора аминокислот, входящих в состав белков их клеток.

Другие сапрофиты могут развиваться в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну-две из них, а все остальные синтезируют сами. Они дезаминируют взятые аминокислоты и образующийся аммиак используют в реакциях аминирования оксикислот или чаще кетокислот, например:

NН3 + СН2ОНСНОНСООН СН2ОНСНNН2СООН + Н20;

глицериновая кислотасерин

NН3 + Н2 + НООССН2СОСООН НООCCН2CНNН2CООН + H2O.

щавелевоуксусная кислота аспарогиновая кислота Синтез новых аминокислот может протекать и без дезаминирования взятых из субстрата аминокислот (без промежуточного образования аммиака) путем перестройки их (переаминирования) — переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоты при участии ферментов аминотрансфераз:

R1СНNH2СООН + R2СОСООН R1СОСООН + R2СНNН2СООН.

Многие сапрофиты (бактерии, грибы, дрожжи) не нуждаются в готовых аминокислотах, довольствуясь минеральными соединениями азота, наилучшими из которых являются аммонийньие соединения.

Многие микроорганизмы (преимущественно грибы, актиномицеты, реже бактерии) используют в качестве источника азота нитраты, реже нитриты. Эти окисленные формы азота предварительно восстанавливаются с образованием аммиака.

Есть бактерии и грибы (из класса базидиомицетов), способные использовать свободный азот атмосферы. Они переводят его в связанное состояние, восстанавливая в аммиак, который и используется для синтеза аминокислот. Эти микроорганизмы называют азотфиксаторами, или азотсобирателями. Примером могут служить клубеньковые бактерии, обитающие в корнях бобовых растений, и свободно живущие в почве азотфиксирующие бактерии. Аммиак, таким образом, является промежуточным продуктом ассимиляции различных источников азота.

Усвоение зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них и незначительна, однако при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.

Большинство микроорганизмов способно усваивать зольные элементы из минеральных солей.

Микроэлементы, необходимые для роста микроорганизмов, могут быть использованы также в виде минеральных солей.

Источником кислорода и водорода являются вода и различные другие вещества.

Потребность микроорганизмов в витаминах. В составе каждой микробной клетки имеются различные витамины. Они необходимы для нормальной жизнедеятельности; некоторые витамины входят в состав простетических групп ферментов.

Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде. Так, для очень многих бактерий необходимо наличие в среде никотиновой кислоты (витамин РР), тиамина (витамин В1), рибофлавина (витамин В2), биотина, пантотеновой кислоты и др. При отсутствии того или иного витамина в среде резко нарушается обмен веществ у микроорганизмов. Добавление в питательную среду недостающего витамина ликвидирует задержку роста, поэтому витамины нередко называют «ростовыми веществами».

Другие микроорганизмы хорошо развиваются и при отсутствии витаминов в среде. Они способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды, накапливать их в своем теле и выделять из клетки наружу. Некоторые микроорганизмы синтезируют витамины в количествах, значительно превышающих их потребности. Такие микроорганизмы используются для промышленного производства витаминов. Так, с помощью гриба Еrетоthеcium ashbyii получают витамин В2.

4. Пропионовокислое брожение, основные участники пропионовокислого брожения, их характеристика, использование пропионовокислых бактерий в народном хозяйстве

Пропионовокислые бактерии являются возбудителями пропионовокислого брожения, при котором углеводы ферментируются с образованием главных продуктов брожения — пропионовой кислоты и её солей — пропионатов.

Пропионовокислое брожение — это превращение сахара или молочной кислоты и её солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

3C6H12O6 — 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O;

3CH3CHOHCOOH — 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O.

Некоторые пропионовокислые бактерии образуют, кроме того, немного других кислот (муравьиную, янтарную, изовалериановую).

При пропионовокислом брожении превращение глюкозы до пировиноградной кислоты протекает также по гликолитическому пути. В дальнейшем пировиноградная кислота, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропионовую. Брожения вызывают бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки принимают булавовидную форму.

Пропионовокислые бактерии требовательны к пище (источнику азота и витаминов).

Большинство не развиваются при рН среды ниже 5,0 — 4,5. Они факультативные анаэробы, могут переносить лишь низкое парциональное давление кислорода. Оптимальная температура их развития 30 — 350С, отмирают при температуре 60 — 700С. Эти бактерии, помимо сахаров и молочной кислоты, способны сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин и другие вещества. Они разлагают (дезаминируют) аминокислоты, при этом выделяются жирные кислоты.

Превосходный рост всех пропионобактерий может быть получен на трипсиново-дрожжевой экстрат-глюкозной среде, содержащей 0,05% твина-80. Бактерии хорошо растут в бульоне с пептоном, дрожжевым экстратом и глюкозой в глубоких пробирках при свободном доступе воздуха. Вызывают помутнение бульона и образование часто окрашенного осадка. Большинство штаммов растёт в глюкозном бульоне с 20% желчи и 6,5% NaCl.

На плотной среде (кровяном агаре) пропионовокислые бактерии образуют мелкие выпуклые полупрозрачные блестящие колонии, которые могут быть белыми, серыми, розовыми, красными, жёлтыми или оранжевыми.

Пропионобактерии являются хемоорганотрофами. Продукты ферментации включают большие количества пропионовой и уксусной кислот, и меньшие количества изовалериановой, муравьиной, янтарной, молочной кислот и диоксида углерода.

В молоке пропионовокислые бактерии развиваются медленно и свёртывают его через 5 — 7 дней.

Несмотря на слабую энергию кислотообразования при развитии этих бактерий, предельная кислотность молока может достигать 160 — 170 0 Т.

Пропионовокислому брожению подвергаются различные углеводы, в том числе глюкоза и лактоза, а также лактаты, то есть соли молочной кислоты, и пептон.

Пропионовокислые бактерии используют в составе заквасок при производстве твёрдых сыров с длительным сроком созревания.

После окончания молочнокислого брожения лактозы в созревающем сыре наступает стадия пропионовокислого брожения, сопровождающаяся сбраживанием молочной кислоты в уксусную и пропионовую кислоты. Эти кислоты придают сырам острый вкус, а образующийся диоксид углерода формирует рисунок сыра (глазки). Пропионовокислые бактерии способны синтезировать витамин В12 и обогащать им молочные продукты. Кожные пропионобактерии витамина В12 не продуцируют. Проптонобактерии образуют аммиак из белковых веществ, фермент каталазу и ферменты дегидрогеназы и цитохромы.

Пропионовокислое брожение является одним из важных процессов при созревании сычужных сыров.

Пропионобактерии обнаруживаются в основном в сыре и в молочных продуктах, а также на кожных покровах человека.

Пропионовая кислота и её соли служат ингибиторами мицелиальных грибов и могут быть использованы для предотвращения плесневения продуктов.

Таким образом, мы видим значительную роль микроорганизмов в природе и жизни человека. С помощью микроорганизмов происходят важныепроизводственные процессы. Знание жизнедеятельности, закономерность и условия развития микроорганизмов позволяет правильно использовать их в технологии производства. Технологу в практической деятельности постоянно приходится использовать знания микробиологии.

1. Мудрецова — Висс К. А. Микробиология. Учебник для товароведов и технологических факультетов торговых вузов. М.: Экономика, 1978 г.

2. Степаненко П. П. Микробиология молока и молочных продуктов: Учебник для ВУЗов. — Сергиев Посад, 1999 г.

3. Методические рекомендации по организации производственного микробиологического контроля на предприятиях молочной промышленности (с атласом значимых микроорганизмов). МР 2.3.2.2327−08 ГНУ ВНИИМС 2008 г.

4. Мудрецова — Висс К. А., Кудряшова А. А., Дедюхина В. П. Микробиология, санитария и гигиена.