Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение

Сложное двухстадийное маслянокислое и ацетонобутиловое брожение осуществляют микроорганизмы рода Clostridium, относящегося к семейству Clostridiaceae из филума Fimicutes.

Клостридии — это грамположительные палочки с перитрихиальным жгутикованием, формирующие сферические или овальные эндоспоры, раздувающие клетку.

В качестве запасных веществ для клостридий характерны крахмалоподобные полисахариды (гранулеза). Некоторые виды рода строго анаэробны (С. pastewianum, С. kluyveri), другие аэротолерантны (С. histolyticum,

С. acetobutylicum). Многие не содержат гемопротеинов (цитохромов, каталазы), но у некоторых обнаружены каталаза и супероксиддисмутаза. При добавлении в среду предшественников гема клостридии способны образовывать цитохромы. Основная масса развивается мезофильно, в нейтральной или щелочной среде, но есть виды, растущие при 75 °C. Некоторые представители способны к фиксации молекулярного азота. Клостридии относят к универсальным микроорганизмам, способным использовать множество субстратов. Они обладают мощным комплексом экзогидролаз. По питательным предпочтениям их подразделяют на три группы. Сахаролитические клостридии растут на сахаросодержащих и полисахаридных средах. Протеолитические (или пептолитические) виды способны использовать белки и аминокислоты. Именно среди них много болезнетворных форм. Пуринолитические клостридии гидролизуют нуклеиновые кислоты и сбраживают пурины и ниримидины.

Продуктами маслянокислого и ацетонобутилового брожения являются масляная и другие органические кислоты, а также ацетон, бутанол, этанол, изопропанол. Брожение характеризуется четко выраженной двухфазно- стью (рис. 7.12). В I фазе клетки активно растут, образуют кислые продукты и pH снижается. При этом рост культуры замедляется, хотя субстрата еще достаточно. В течение II стадии восстановительные эквиваленты переносятся на образовавшиеся кислые продукты и получаются нейтральные вещества, вследствие чего pH возвращается к нормальному уровню и культура снова может развиваться.

Биологический смысл двухфазности заключается в более полном использовании субстрата за счет поддержания комфортных для культуры условий существования путем сброса избыточных восстановительных эквивалентов на образовавшиеся кислые продукты брожения. Таким способом решаются две проблемы — «исправления pH» и избавления от «лишнего» восстановителя. Синтез ряда ферментов II фазы (в частности, ацетоацетатдекарбоксилазы) индуцируется понижением pH среды до 5,0.

Клостридии и некоторые бациллы могут осуществлять парные брожения, когда одно вещество служит донором, а другое — акцептором электронов. Так, сбраживание аминокислот без предварительного дезаминирования происходит в соответствии с реакцией Стикленда. Донорами могут служить аланин, лейцин, шо-лейцин, валин, серин, акцепторами — глицин, пролин, аргинин, триптофан. Например, в реакции:

донор подвергается дезаминированию и окислительному декарбоксилированию, а акцептор — восстановительному дезаминированию. Другим.

Рис. 7.12. Особенности маслянокислого и ацетонобутилового брожения:

а — двухфазность; б — схема брожения (тонкие стрелки — реакции, общие для двух фаз; пунктирные — реакции I фазы; жирные — II фазы) примером парного процесса является сукцинат-этанольное брожение у С. kluyveri (рис. 7.13) с суммарным уравнением: сукцинат + этанол —> 3 ацетат.

Рис. 7.13. Схема сукцинат-этанольного брожения С. kluyveri.

Клостридии являются типичными обитателями почвы, но среди них есть и патогенные виды. Например, С. histolyticum и С. septicum, возбудители газовой гангрены, — эго протеолитические клостридии, обычно обитающие в почве, но образующие токсины при попадании в богатую белковым субстратом среду (при загрязнении рваных ран почвой). Большое количество летальных исходов в госпиталях в период военных действий связано как раз с развитием так называемых раневых инфекций (в основном, газовой гангрены). При пережатии артерий для остановки кровотечения в тканях возникал анаэробиоз, что стимулировало брожение клостридий с интенсивным выделением газов. Поврежденная ткань раздувалась, издавала неприятный запах и чернела из-за некроза. Развитие гангрены могло быть остановлено насыщением раны кислородом до 3 атм. Этот способ лечения был предложен военным хирургом В. И. Кравченко («бочка Кравченко»), Поврежденную конечность помещали в герметичный сосуд и наполняли его кислородом под давлением. С. tetani, вызывающий столбняк, образует при попадании в раны столбнячный токсин, приводящий к судорогам всех мышц и в конечном счете к остановке дыхания. В неправильно приготовленных консервированных белковых продуктах (рыбных, мясных, бобовых) может развиваться продуцент смертельного нейротоксипа ботулина С. botulinum, попадающий туда с почвой.

Клостридии относятся к микроорганизмам-гидролитикам и играют существенную роль в природных местообитаниях. В анаэробных пищевых цепях деструкции биополимеров они осуществляют первую стадию их гидролиза, а затем наряду с другими группами проводят сбраживание образовавшихся олигои мономеров.