Процессы брожения, вызываемые бактериями рода Clostridium и энтеробактериями

Анаэробные бактерии рода Clostridium были открыты Л. Пастером в 1861 г. Ученый обнаружил, что некоторые представители данного рода сбраживают углеводы с образованием масляной кислоты. Сейчас среди представителей Clostridium насчитывается более 80 видов бактерий. Они имеют палочковидные клетки, обычно подвижны, передвигаются при помощи перитрихальных жгутиков. У видов рода образуются споры, имеющие овальную или сферическую форму; они терморезистентны. Как правило, споры раздувают клетку (рис. 38). Грамположительные. Облигатные анаэробы.

Род включает психрофильные, мезофильные и термофильные виды. Температурный оптимум для роста большинства мезофильных видов лежит в диапазоне 30—40 °С. Для термофильных видов температурный оптимум составляет 60—75 °С. Оптимальная реакция среды для клосгридий — нейтральная или слабощелочная. Хе;

Рис. 38. Спорообразуюшие клетки рола Clostridium (по: В. Т. Ем lie в. В. И. Дула, UJ. И. Шелли) моорганогетеротрофы. Клостридии сбраживают сахара, многоатомные спирты, аминокислоты, органические кислоты, пурины и пиримидины, другие органические соединения. Ряд видов способен к фиксации молекулярного азота атмосферы. Места обитания клосгридий — почва, водоемы, а также пищеварительный тракт человека и животных.

Все виды рода объединены в группы в зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения.

Первая группа — сахаролитические виды Clostridium, сбраживающие растворимые углеводы, крахмал или пектин с образованием бутирата, ацетата, С0₂ и Н₂. Брожение при участии некоторых микроорганизмов группы приводит к образованию из сахаров дополнительных нейтральных соединений (бутанола, пропанола, ацетона, небольших количеств этанола). В группу входят бактерии, вызывающие маслянокислое и ацетонобутиловое брожения: С. butyriсит, С. pasteurianum, С. tyrobutyricum, С. butylicum, С. acetobutylicum и др. Возможно, к ней можно отнести и ряд видов Clostridium — высокоспециализированных агентов анаэробного разрушения целлюлозы, причем главные конечные продукты брожения — этанол, ацетат и сукцинат, СО, и Н₂.

Вторая группа — протеолитические вилы Clostridium, сбраживающие аминокислоты. Обладают сильными протеолитическими свойствами и способны к интенсивному гидролизу белков с последующим сбраживанием аминокислот. Рост микроорганизмов в средах с белком сопровождается образованием аммиака, С0₂, Н₂, жирных кислот и большого количества летучих соединений с неприятным запахом. К группе относятся виды: С. sporogenes, С. per— fringens, С. histolyticum, С. botulinum и др. Многие представители рода Clostridium, сбраживающие аминокислоты, способны также к сбраживанию углеводов.

Третья группа — виды Clostridium, сбраживающие азотсодержащие циклические соединения — пурины и пиримидины. Пурины (гуанин, гипоксантин, ксангин и др.) под влиянием С. acidi-urici и С. cylindrosporum превращаются в аммиак, ацетат и С0₂. С. и raciliсит и С. oroticum сбраживают пиримидины, при этом урацил распадается до (i-аланина, С0₂ и NH₃, а оротовая кислота — до уксусной кислоты, С0₂ и NH_V

Четвертая группа включает всего один вид — С. kluyveri, сбраживающий смесь этанола с ацетатом до бутирата и капроновой кислоты, а также небольшого количества водорода.

Остановимся более подробно на двух типах брожения, осуществляемого сахаролитическими видами Clostridium, — маслянокислом и ацетонобутиловом.

Маслянокислое брожение. Типичный представитель маслянокислых бактерий — Clostridium butyricum. Это крупная палочка (1—2×10 мкм). Молодые клетки подвижны, на более поздних стадиях развития они теряют жгутики, приобретают веретенообразную форму и накапливают запасное питательное вещество — полисахарид гранулезу. При образовании спор клетки приобретают веретеновидную форму, иногда форму барабанной палочки.

Источником углерода для маслянокислых бактерий могут служить монои дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал), лактат и пируват, маннит, глицерин и др. В сложных белковых средах при отсутствии сбраживаемого углевода маслянокислые бактерии растут плохо или не растут вовсе. Источником азота для них служат разнообразные вещества: аминокислоты, аммиачные соединения и даже молекулярный азот.

Маслянокислое брожение начинается с трансформации сахаров в пируват по пути Эмбдсна— Мейергофа— Парнаса. Конечные продукты из пирувата образуются в цепи последовательных реакций, катал изуемых несколькими ферментными системами. Остановимся на кратком описании данного процесса.

Пируват превращается в ацетил-СоА, С0₂ и Н, при участии ферментной системы: пируват + ферредоксиноксидоредуктаза. Из ацетил-КоА через, а цетил фосфат синтезируется ацетат. Синтез бугирата начинается с конденсации двух молекул ацетил-КоА, возникших в результате декарбоксил ирования пиру вата, что приводит к образованию ацетоацетил-КоА. Последний восстанавливается в (3-оксибутирил-КоА. С отщеплением от молекулы Р-оксибутирил-КоА молекулы воды возникает кротонил-КоА, ферментативно восстанавливающийся в бутирил-КоА. Наконец, после гидролиза бутирил-КоА и переноса КоА на ацетат образуется бутират.

Превращение ацетил-КоА в ацетилфосфат, а затем в ацетат сопровождается синтезом АТФ. Таким образом, в процессе субстратного фосфорилирования при маслянокислом брожении синтезируется третья молекула АТФ (две другие образовались в процессе гл и колитического расщепления глюкозы). Суммарное уравнение маслянокислого брожения:

Среди маслянокислых бактерий есть мезофильные и термофильные формы. Кроме того, род Clostridium включает и патогенные, и сапротрофные виды. К сапротрофным бактериям относят С. pasteurianum, С. butyricum, С. felsineum; к патогенным — С. botuliпит, С. perfringens и др. Все они широко распространены в почвах и других естественных субстратах.

Маслянокислое брожение — нс всегда желательный процесс. Например, при его развитии в заквашиваемых кормах белковая часть корма разлагается, а накопившаяся масляная кислота придает продукту неприятный запах. Вместе с тем для некоторых промышленных целей требуется чистая масляная кислота. Ее получают на заводах, специально сбраживая подготовленные среды чистой культурой маслянокислых бактерий. Образовавшуюся кислоту отделяют и очищают химическим методом.

Ацетонобутиловое брожение. Возбудитель ацетонобутилового брожения — С. acetobutylicum, он широко распространен в почвах, имеет палочковидные клетки (0,6—0,9×2,4—4,7 мкм) с перитрихальным жгутикованием. Характерно образование овальных спор, которые располагаются в клетке субтсрминально. Бактерии сбраживают моно-, дии полисахариды, а также глицерин, маннит, глюконат, пируват и ряд других соединений, фиксируют молекулярный азот. Оптимальная температура для их роста 37—38 °С, оптимальное значение pH среды — 5,1—6,9. Ацетонобутиловые бактерии способны разлагать белки.

Сбраживание углеводов при помощи данных бактерий происходит по пути Эмбдена— Мейергофа—Парнаса. Образовавшийся в результате декарбоксил ирования пирувата ацетил-КоА восстанавливается в этанол, идет на синтез ацетата или конденсируется в ацетоацетил-КоА. Последний декарбоксилируется, что приводит к образованию ацетона, или восстанавливается в бутирил-КоА, который может трансформироваться в бутират или восстанавливаться через бутиральдегид до бутанола. Суммарная схема ацетонобутилового брожения:

Основные конечные продукты брожения, как видно, — бутанол, этанол, ацетон, 2-пропанол, а также ацетат и бутират. Однако характер конечных продуктов определяется как видовой принадлежностью используемого для брожения микроорганизма, так и условиями, в которых идет процесс. Установлено, что ацетонобутиловое брожение имеет двухфазный характер. В течение первой фазы наблюдается активный рост бактерий, в среде идет накопление преимущественно органических кислот. Во второй фазе брожения снижается значение pH среды, рост бактерий замедляется, преобладает синтез нейтральных продуктов — ацетона, бутанола и этанола.

Двухфазность ацетонобутилового брожения связана с pH среды. Если кислотность среды в результате накопления органических кислот возрастает до pH 4,5 и более, происходит интенсивное образование нейтральных продуктов, что предупреждает дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий.

Ацетонобутиловые бактерии значительно более требовательны к среде, чем маслянокислые. Эти микроорганизмы нуждаются в готовых аминокислотах и витаминах (биотин и //-аминобензойная кислота).

Описанный вид брожения широко используют в промышленном производстве ацетона и бутанола из кукурузной муки и другого крахмалистого сырья. Ацетон применяют для производства искусственного шелка и кожи, фотографических пленок, искусственного цемента и других продуктов, бутанол — при производстве лаков. Газы, образующиеся при ацетонобутиловом брожении, идут на синтез метанола.

Смешанное брожение. Некоторые бактерии, главным образом представители кишечной микрофлоры, относящиеся к семейству Enterobacteriaceae, называемые энтеробактериями, могут осуществлять смешанное кислое и бутандиоловое брожение, при котором образуются ряд органических кислот, спирты, С0₂ и Н₂. Энтеробактерии — факультативные анаэробы, они представляют собой грамотрицательные подвижные, неспорообразующие палочки.

К энтеробактериям относятся:

• Escherichia coli (кишечная палочка) — обитает в кишечнике человека и животных; бактерия может существовать в почве и воде, обнаружение ее в питьевой воде, молоке или другом субстрате служит показателем их загрязнения фекалиями;

• • Salmonella — представители кишечной микрофлоры, патогенные микроорганизмы, возбудители кишечных инфекций и нишевых отравлений, обитают в почве и воде;
• • Shigella — возбудители кишечных инфекций;
• • Yersinia — возбудители чумы человека и животных;
• • Enterobacter, Serratia и Proteus, представители которых в основном обитают в почве и воде, а также
• • фитопатогенный род Erwinia.

Превращение углеводов у энтеробактерий идет по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса. Основные продукты брожения — ацетат, сукцинат, лактат, этанол, глинерол, ацетон, 2,3-бутандиол, С0₂ и Н₂. Продукты брожения, вызываемого представителями энтеробактерий, различаются в качественном и количественном отношении. Виды родов Escherichia. Salmonella и Shigella сбраживают сахара до лактата, ацетата, сукцината и муравьиной кислоты. Кроме того, образуются С0₂, Н₂ и этанол. Представители родов Enterobacter, Serratia и Erwinia продуцируют меньше кислот, но больше С0₂, этанола и особенно большое количество 2,3-бутандиола (2,3-бугиленгликоля).