Основные группы микроорганизмов, их морфология и физиология, роль в пищевом производстве

Микробиология (от греч. «mikros» — малый, «bios» — жизнь, «logos» — учение) — наука, изучающая мир мельчайших живых существ — микроорганизмов и процессы, вызываемые микроорганизмами.

Микробиология изучает морфологию микроорганизмов, закономерности их развития и процессы, которые они вызывают в среде обитания, а также их роль в природе и хозяйственной деятельности человека.

К миру микроорганизмов относятся бактерии, дрожжи, микроскопические (плесневые) грибы.

Микроорганизмы обитают во всех климатических зонах, находятся на всех предметах и продуктах, живут в организме человека. Они разлагают остатки отмерших животных и растительных тканей, выполняя роль санитаров планеты. С жизнедеятельностью микроорганизмов связаны образование полезных ископаемых, плодородие почвы, самоочищение водоемов и т. д. Полезные свойства микроорганизмов используются в технологии производства многих пищевых продуктов и различных биологически активных веществ, таких как ферменты, аминокислоты, витамины, антибиотики и др.

Однако не все микроорганизмы приносят пользу. Многие микроорганизмы являются вредителями пищевых производств и вызывают порчу пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья. Некоторые микроорганизмы, развиваясь и размножаясь в пищевых продуктах, образуют токсины и вызывают пищевые отравления.

Процессы, вызываемые микроорганизмами, люди знали и использовали с незапамятных времен. Издавна они умели готовить вино, квас, кумыс, кислое молоко, сыр и другие продукты.

Однако микробиология — относительно молодая наука, ее история насчитывает немногим более 300 лет.

В истории микробиологии можно выделить три периода: морфологический, физиологический и современный.

Морфологический период развития микробиологии связан с именем голландского ученого Антония ван Левенгука (1632−1723), который в конце XVII века с помощью изготовленного им самим микроскопа, дающего увеличение в 300 раз, открыл мир микробов. Этот ученый издал первый научный трактат по микробиологии (1695) «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком». К настоящему времени собрано 20 объемных томов рукописей Левенгука, в которых он описывает палочковидные, шаровидные, извитые и другие формы микроорганизмов, обнаруженных в различных объектах.

Открытия Левенгука вызвали интерес ученых. Однако, слабое развитие в промышленности, господствующее в науке схоластическое направление препятствовали развитию естественных наук, в том числе зарождающейся микробиологии. Долгое время наука о микробах носила лишь описательный характер — шел так называемый морфологический период ее развития.

Накопление данных о микроорганизмах привело к необходимости их систематизации. Первая научная попытка систематики микроорганизмов принадлежит датскому ученому О. Мюллеру (1785).

Со второй половины ХIХ века началось бурное развитие микробиологии — физиологический период, связанный с именем величайшего французского ученого, химика по образованию, Луи Пастера (1822−1895). В истории мировой науки трудно найти другого исследователя, чьи работы имели бы такое теоретическое значение и вместе с тем дали бы такой большой практический эффект. К. А. Тимирязев считал, что «Пастер оказал такое влияние на практические стороны человеческой деятельности, какое не оказывал ни один человек за всю историю цивилизации».

В XIX веке интенсивная работа по медицинской микробиологии начала проводиться во многих странах. Так, в развитие микробиологии большой вклад внес немецкий врач Роберт Кох (1843−1910), которым была разработана методика получения чистых культур микроорганизмов в виде отдельных колоний на плотных питательных средах, что позволило выделить и изучить ряд микроорганизмов. Р. Кохом разработаны также методы окрашивания микроорганизмов, микрофотографии, дезинфекции; введено в лабораторную практику заражение подопытных животных для выделения чистых культур патогенных микробов. Р. Кох обнаружил и изучил возбудителя туберкулеза человека и крупного рогатого скота (палочку Коха). Таким образом, Р. Кох заложил основы современной методики микробиологических исследований, за что в 1905 г. Шведская академия наук присудила ему Нобелевскую премию.

Современный период развития микробиологии. По мере накопления знаний по микробиологии возникли специальные разделы микробиологии.

Общая микробиология изучает строение, закономерности развития и жизнедеятельности микроорганизмов, их изменчивость и наследственность, экологию, обмен веществ. Из общей микробиологии выделились почвенная и водная микробиология, сельскохозяйственная, геологическая, космическая, медицинская микробиология и вирусология. Обширный раздел составляет техническая или промышленная микробиология, которая изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах, для получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др.

Огромный вклад в развитие микробиологии внесли отечественные ученые.

И.И. Мечников (1845−1916) создал фагоцитарную теорию иммунитета, основанной на способности клеток микроорганизма противостоять инородным телам; установил антагонизм между молочнокислыми и гнилостными бактериями; работал с возбудителями инфекционных болезней. В 1908 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Д.И. Ивановский (1886−1920) по праву считается основоположником вирусологии. Он при изучении мозаичной болезни табака обнаружил микроорганизмы, которые проходили через биологические фильтры. Эти микроорганизмы получили название вирусов. Это послужило толчком к открытию возбудителей ящура, оспы, невидимых в обычные световые микроскопы.

С.Н. Виноградский (1856−1953) - основоположник почвенной микробиологии, установил роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Разработал методы выделения отдельных групп микроорганизмов с использованием элективных (избирательных) питательных сред.

Труды Я. Я. Никитинского (1878−1941) и Ф. М. Чистякова (1898−1959) положили начало развитию консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов.

Благодаря огромным научным достижениям в области микробиологии и смежных биологических дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биохимии и др.) появилась реальная возможность сделать микроорганизмы неисчерпаемым источником биологически активных веществ (кормового и пищевого белка, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов, антибиотиков, спиртов, органических кислот, средств защиты растений и др.). Эти продукты микробного синтеза находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и, в том числе, в пищевой промышленности Создание электронного микроскопа и разработка новых методов исследования микроорганизмов позволяют изучать их на молекулярном уровне, что в свою очередь дает возможность более глубоко познать свойства микробов, их химическую деятельность, лучше использовать и управлять микробиологическими процессами.

Несмотря на большое многообразие живых существ, обитающих на нашей планете, все они связаны определенным родством. Чем теснее эта связь, тем большим числом общих признаков они характеризуются. Группированием живых организмов, в том числе и микроорганизмов, по наибольшему общему сходству занимается специальная отрасль биологической науки — систематика. Процесс установления принадлежности определенных групп организмов и их характеристика называются классификацией.

Все организмы с клеточной организацией подразделяют на прокариоты (клетки, не имеющие дифференцированного ядра) и эукариоты (клетки с ядром, заключенным в оболочку). Из эукариотических клеток состоят высшие организмы.

К прокариотам относятся сине-зеленые водоросли, бактерии, спирохеты, актиномицеты, риккетсии, хламидии и микоплазмы. Для классификации прокариотов принята иерархическая система, в соответствии с которой виды микроорганизмов объединяют в роды, в семейства, в порядки, в классы, в отделы, в царства. Высшей таксономической категорией является царство, а низшей — вид. Под видом понимают совокупность (группу) родственных микроорганизмов, имеющих единое происхождение и генотип, сходных по морфологическим и биологическим свойствам и обладающих наследственно закрепленной способностью вызывать в среде естественного обитания определенные специфические процессы. Классификация прокариотов построена в виде описательных таблиц и предназначена для установления принадлежности данного микроорганизма к определенному таксону (классу, порядку, семейству, роду и виду). Для этого изучают признаки выделенного микроорганизма: морфологию, структуру клетки, способность окрашиваться анилиновыми красителями, тип дыхания, характер роста на плотных и в жидких питательных средах, ферментативную активность и др.

Кроме понятия «вид» в микробиологии используют термины «штамм» и «клон». Штамм — это генетически однородная культура одного и того же вида с одинаковыми морфологическими и биологическими свойствами, выделенная из различных источников или даже из одного источника, но в разное время и поддерживаемая путем пересевов. Например, если микроорганизм выделен из воды, его называют водным штаммом, из почвы — почвенным штаммом.

Штаммы микробов одного вида могут различаться каким-либо признаком (например, устойчивостью к антибиотикам, способностью ферментировать углеводы и пр.). Однако основные свойства штамма должны соответствовать свойствам, характерным для данного вида.

Под термином клон понимают популяцию бактериальных клеток, являющихся потомством одной клетки. Популяции клеток микроорганизмов, состоящие из особей одного вида, называют чистой культурой, а из особей различных видов — смешанной культурой.

Процесс определения принадлежности микроорганизма к тому или иному виду по совокупности морфологических, культуральных, биохимических и других свойств называют идентификацией.