Технічна мікробіологія

Ще однією особливістю мінералізації є надходження невеликої частини мінералізованого вуглецю (1,0-1,5%) в атмосферу не у вигляді вуглецю, а в формі метану. Цей газ утворюється з органічних речовин у місцях, недоступних для кисню (грунтах тундр, на рисових полях, у рубці жуйних тварин). В утворенні метану беруть участь метаногенні бактерії.

Моря на перший погляд здаються великим резервом вуглекислоти. Проте швидкість обміну вуглецю атмосфери і вуглецю морів є досить низькою. До того ж у газообміні моря з атмосферою беруть участь лише тонкий поверхневий шар води. Слід зазначити, що Світовий океан являє собою потужну буферну систему, яка намагається підтримувати вміст вуглецю в атмосфері на певному рівні.

У результаті фотосинтетичної фіксації вуглецю зеленими рослинами утворюються в першу чергу цукри та спорідненні з ними сполуки. Основна маса фіксованого вуглецю у рослин відкладається у формі полімерних вуглеводів. Оскільки серед продуктів асиміляції зелених рослин переважають полісахариди, то цукри відіграють велику роль у живленні всіх живих організмів. Глюкоза та інші цукри у формі полімерів є кількісно переважаючим субстратом для процесів мінералізації в природі; у вигляді мономерів вони є найкращими поживними речовинами для гетеротрофних мікроорганізмів.

Кругообіг азоту. Центральне місце у кругообігу азоту займає амоній. Він є продуктом розкладання білків і амінокислот, які з рештками тваринного та рослинного походження потрапляють у грунт. У грунтах з високим рівнем аерації амоній піддається нітрифікації: бактерії Nitrosomonas та Nitrobacter окислюють його до нітрату та нітриту. За відсутності кисню з нітрату утворюється молекулярний азот (процес денітрифікації). Бактерії, які беруть участь у денітрифікації, використовують нітрат як термінальний акцептор електронів у анаеробному дихальному ланцюгу. Денітрифікація супроводжується втратою азоту з грунтів. Разом з цим бактерії здатні і до фіксації молекулярного азоту. Азотфіксувальні бактерії є вільно існуючими та симбіотичними.

Кругообіг фосфору. У біосфері фосфор представлений майже винятково у вигляді фосфатів. У живих організмів фосфорна кислота існує у формі ефірів. Після відмирання клітин ці ефіри швидко розкладаються, що супроводжується вивільненням іонів фосфорної кислоти. Для рослин доступною формою фосфору в грунтах є вільні іони ортофосфорної кислоти. Їх концентрація часто буває низькою; ріст рослин, як правило, лімітується не загальною недостатністю фосфатів, а утворенням малорозчинних його сполук (апатити, комплекси з важкими металами). У багатьох місцях фосфат з добрив потраплє у проточні водойми. Оскільки концентрація іонів заліза, кальцію та алюмінію у водоймах є невисокою, фосфат залишається у розчинній формі, що супроводжується евтрофізацією водойм, особливо сприятливою для розвитку азотфіксувальних ціанобактерій. У грунтах же внаслідок утворення нерозчинних солей фосфати найчастіше швидко стають недоступними для рослин.

Кругообіг сірки. У живих клітинах сірка представлена сульфгідрильними групами у складі сірковмісних амінокислот (метіонін, цистеїн, гомо цистеїн). У сухій речовині організмів частка сірки становить 1%. У процесі анаеробного розкладання органічних речовин сульфгідрильні групи відщеплюються десульфуразами; утворення сірководню під час мінералізації в анаеробних умовах називають також десульфуруванням. Проте найбільша кількість сірководню утворюється у процесі дисиміляційного відновлення сульфатів, яке здійснюється сульфатредикуючими бактеріями. Ці бактерії використовують сульфат як термінальний акцептор електронів у анаеробному дихальному ланцюгу.

Сірководень, що утворився за відсутності кисню в осадах водойм, може бути окиснений анаеробними фототрофними бактеріями до сірки та сульфату. Коли сірководень проникає в зони, що містять кисень, він окислюється або абіотично-, або аеробними сіркобактеріями до сульфату. Сірку, необхідну для синтезу сірковмісних амінокислот, рослини та частина мікроорганізмів отримують шляхом асиміляційної сульфат редукції; тварини же отримують відновленні сполуки сірки з їжею.

10.Вплив на мікроорганізми екологічних факторів (температури, вологості, осмотичного тиску, поменевої енергії тощо)

Умови довкілля мають велике значення для життєдіяльності мікроорганізмів. Чим сприятливіші вони, тим інтенсивніше розвиваються мікроби, і навпаки. Надлишок або брак вологи, низька або висока температура, освітлення, радіоактивне випромінювання, наявність поживних речовин тощо зумовлюють відповідний темп розвитку мікробної клітини. Розвиваючись у певних умовах довкілля, прокаріоти пристосовуються до них. Цим і пояснюється той факт, що в південних широтах бактерії можуть добре розвиватися при підвищеній температурі, у північних -- при пониженій, галофільні мікроорганізми -- у водоймищах з високим вмістом солей.

Усі чинники зовнішнього середовища можна розподілити на три основні групи: фізичні, хімічні і біологічні. До фізичних факторів належать: волога, температура, концентрація розчинених речовин, світло та інші форми променевої енергії, радіохвилі, ультразвук. Серед хімічних чинників розрізняють рН середовища, отруйні речовини, кисень тощо. До біологічних належать різного типу взаємозв'язки і взаємовідношення між бактеріями, а також між ними та іншими організмами довкілля (симбіоз, метабіоз, коменсалізм, синергізм, антагонізм, паразитизм тощо).

Фізичні фактори

Волога. Активна життєдіяльність бактерій можлива лише в умовах достатнього зволоження. Надходження поживних речовин у клітину та виділення продуктів обміну в зовнішнє середовище можливі тільки при достатньому вмісті води. Найменша кількість води, при якій ще можливий розвиток прокаріотів, становить 20-30 % загальної маси організму. Менш вимогливі до умов зволоження цвілеві гриби. Вони можуть розвиватися навіть тоді, коли вміст вологи в субстраті дорівнює 10-15 %.

Більшість мікробів витримують висушування непогано. Наприклад, туберкульозні палички після висушування зберігають свою життєздатність протягом кількох місяців, а спори сибірки -- упродовж 10 років. Молочнокислі бактерії і дріжджові гриби зберігають життєздатність після висушування протягом кількох років. Ця властивість мікробів широко використовується, наприклад, для отримання сухих заквасок, які застосовуються при виготовленні різних молочнокислих продуктів тощо, а також для зберігання музейних мікробів. При цьому культури піддаються заморожуванню в умовах вакууму (ліофілізація).

Температура. Мікроорганізми не регулюють температуру свого тіла, а тому існування їх визначається температурою оточуючого середовища. Розрізняють три основні температурні зони, які мають вирішальне значення для розвитку бактерій: мінімум, оптимум і максимум. Найменша температура, при якій можуть розвиватися дані мікроби, називається мінімальною. Найвища температура, при якій ці самі організми ще можуть жити, називається максимальною. Між двома крайніми точками є температура, при якій мікроорганізми розвиваються найкраще. Така температура дістала назву оптимальної. Кардинальні температурні точки для мікроорганізмів хоча і є характерними для кожного виду мікроба, але вони можуть змінюватися під впливом інших чинників зовнішнього середовища.

Щодо температурних умов, усі мікроорганізми прийнято поділяти на три групи: психрофіли, мезофіли, термофіли. Психрофіли -- холодолюбні мікроби. Мінімальні температури для них -- у межах від -10 до О °С, оптимальні -- від 10 до 15 °С і максимальні -- близько ЗО °С. Психрофіли живуть у грунтах полярних країн, холодних морях і океанах, льодах, на заморожених продуктах тощо.

Мезофіли -- мікроорганізми, мінімальні температури для яких перебувають у межах від 0 до 10 °С, оптимальні -- близько 25--35 °С, максимальні -- 40--50 °С. До них належать більшість сапрофітних і патогенних мікроорганізмів, наприклад, кишкова паличка, протей, стафілокок та інші.

Термофіли -- група теплолюбних мікробів, які можуть розвиватися при відносно високих температурах.

Зниження температури нижче оптимальної не так згубно впливає на мікроорганізми, як її підвищення понад максимальну. На явищі впливу високих температур грунтуються поширені способи знезараження продовольчих продуктів, поживних середовищ, посуду та інструментів. Вони дістали назву пастеризації і стерилізації.

Низькі температури мікроби витримують порівняно легко. Наприклад, деякі види бактерій не втрачають життєздатності навіть при температурі рідкого водню (-253 °С). При дії низьких температур прокаріоти можуть впадати в анабіотичний стан, зберігаючи тривалий час свою життєдіяльність. Низькі температури широко використовуються для зберігання різних продуктів, які швидко псуються. Використовують два способи зберігання продуктів на холоді: в охолодженому стані при температурі від 10 °С до -2 °С і в замороженому стані при температурі від -12 до -ЗО °С.

Випромінювання. Пряме сонячне світло шкідливо впливає на більшість видів бактерій. Тільки фототрофні мікроорганізми витримують вплив сонячної радіації порівняно легко. Вплив різних видів випромінювання на прокаріотів залежить від довжини хвилі, а також інтенсивності і тривалості випромінювання. Променева енергія поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Це можуть бути радіохвилі, видимі, інфрачервоні й ультрафіолетові світлові промені, іонізуючі промені -- рентгенівські і космічні промені, а також випромінювання, які виникають при ядерних реакціях.

Найбільшою довжиною характеризуються радіохвилі. Вони не викликають біологічного ефекту. Дещо меншу довжину хвилі мають інфрачервоні промені. При поглинанні живим організмом вони перетворюються на тепло. Видиме світло, з довжиною хвилі від 300 до 800 нм, поглинається фотосинтезуючими прокаріотами і перетворюється на хімічну енергію. Цей вид випромінювання індукує такі процеси, як фотосинтез, фототаксис, фотореактивацію ДНК тощо.

Найбільш згубними для бактерій є короткохвильові промені, наприклад, ультрафіолетові (УФ) з довжиною хвилі 250-260 нм. Вони поглинаються ДНК, РНК і білками та зумовлюють зміни їхніх молекул, що призводить до пошкодження клітини. УФ-промені викликають також мутагенний ефект, спричиняючи спадкові зміни мікроорганізмів, а тому їх часто використовують для одержання мутантів різних мікроорганізмів. Штучні джерела УФ-променів -- бактерицидні лампи -- широко використовують для дезинфекції повітря, холодильних камер, лікувальних і виробничих приміщень тощо.

Іонізуюче випромінювання на мікроорганізми може діяти згубно (бактерицидна дія) або викликати мутагенний ефект. Ефективність дії іонізуючої радіації залежить від виду, дози і об'єкту опромінення. Наприклад, прокаріоти набагато витриваліші до дії ядерних випромінювань, ніж вищі організми. Тіонові бактерії, які живуть у покладах уранових руд, мають високу стійкість до радіації. Бактерії знаходили у воді атомних реакторів, де концентрація іонізуючої радіації перевищувала 20-30 тис. Гр (2--3 млн рад).

Щодо механізму дії радіації на живі організми, то вважають, що вона виявляє пряму і непряму дію. Пряма дія полягає в радіаційно-хімічних перетвореннях молекул у місці поглинання радіоактивних променів. Вплив останніх спричинює набуття молекулою збудженого стану, в результаті цього утворюються вільні радикали і переоксиди, які реагують з ДНК, РНК і білками. При непрямій дії радіації відбувається пошкодження молекул мембран, органел, клітин цими ж продуктами радіолізу води.

Ультразвук. Ультразвукові хвилі мають частоту коливання понад 16 000 Гц. Вони виявляють згубну дію на різні мікроорганізми: зумовлюють розпад високомолекулярних сполук, коагуляцію білка, інактивують ферменти, токсини, спричинюють розрив клітинної стінки тощо. Досі ще не розкрито механізм дії ультразвукових хвиль. Його зв'язують з кавітацією (від лат. сауііаз -- порожнина), тобто утворенням у рідині порожнин, при закриванні яких виникають гідравлічні удари, що руйнують клітини мікроорганізмів.

До дії ультразвуку чутливі (різною мірою) всі мікоорганізми. Наприклад, до дуже чутливих належать протей, сальмонели, сирна паличка та інші, до дуже стійких -- туберкульозна паличка та багато інших прокаріотів. Інтенсивні дослідження дії електрогідравлічного ефекту на живі об'єкти за допомогою спеціальних установок проводились І. О. Ситником (1982) та іншими дослідниками. Це відкрило широкі можливості для практичного використання електрогідравлічного ефекту при стерилізації молока, соків та інших харчових продуктів, виробництві вбитих вакцин, одержанні внутрішньоцитоплазматичного білка різних видів мікробів, а також для стерилізації питної і стічних вод.

Осмотичний тиск. Важливе значення для життя мікроорганізмів має осмотичний тиск, величина якого визначається концентрацією розчинених речовин у середовищі. Цитоплазматична мембрана бактеріальної клітини регулює проникнення в клітину і вихід із неї води і розчинених речовин, зберігаючи при цьому осмотичну рівновагу. Надходження води з довкілля у клітину можливе лише в тому випадку, коли осмотичний тиск в клітині буде більшим, ніж тиск зовнішнього розчину. При високому осмотичному тиску в середовищі клітина втрачає здатність поглинати з нього воду, що згубно діє на неї. Нормальний осмотичний тиск у клітині визначається в межах від 3 до 7 атм.

Мікроорганізми, які добре розвиваються при нормальному тиску, дістали назву осмотолерантних. Мікроби, що краще розвиваються при підвищеному осмотичному тискові, називаються осмофільними. Є також група бактерій, які потребують для свого росту і розвитку високої концентрації солей (КаСІ). Вони краще ростуть при концентрації солі в середовищі в межах 20--30 %. Ці прокаріоти дістали назву галофілів . Своєю чергою серед них розрізняють помірних і екстремальних галофілів. Галофіли потребують іонів Ка+ для стабільності клітинних мембран і активності ферментів.

Гідростатичний тиск. Мікроорганізми по-різному реагують на дію гідростатичного тиску. Наприклад морські бактерії, що мешкають на глибині 1000--10 000 м, можуть витримувати тиск до 900 атм. Деякі бактерії, дріжджі, цвільові гриби витримують тиск до 3000 атм, а фітопатогенні віруси -- до 5000 атм. Бактерії, які ростуть при звичайному та підвищеному тиску, називають баротолерантними.

Мікроорганізми, що краще розвиваються при високому тиску, належать до барофільних організмів. Під дією гідростатичного тиску змінюються активність ферментів і біохімічні властивості бактерій.

Хімічні фактори

Хімічний склад середовища істотно впливає наріст і розвиток прокаріотів. Від нього залежить надходження поживних речовин, і він визначає реакцію середовища, її окислювально-відновний потенціал.

Реакція середовища (рН). Ступінь кислотності або лужності середовища справляє великий вплив на життя мікроорганізмів. Фізіологічне діючою основою в кислих і лужних субстратах є концентрація гідроксильних і водневих іонів (ОН~ і Н+). До найбільш кислих природних середовищ належать гарячі кислі джерела і їхні ґрунти, рН у них іноді може сягати 1. З цих місць виділено бактерії, які водночас є ацидофілами і термофілами. У природі також трапляються такі лужні джерела і озера, рН яких може сягати 8--11. З них виділено бактерії, які можуть добре рости при рН = 8 ... 10 (ціанобактерії та інші).

Від реакції середовища залежить активність ферментів, яка є основою біохімічної активності мікробів. Наприклад, відомо, що ті самі дріжджі у кислому середовищі утворюють при зброджуванні цукру багато етилового спирту і незначну кількість гліцерину. В лужному субстраті, натомість, вони утворюють із цукру велику кількість гліцерину і дуже мало етанолу.

Більшість бактерій краще розвиваються в нейтральному або слаболужному середовищі. Добре витримують кислотність оцтовокислі, молочнокислі та деякі інші види бактерій. Дуже чутливі до високої кислотності гнильні бактерії. Мікроорганізми, які добре розвиваються в лужному середовищі, дістали назву алкаліфільних. Наприклад холерний вібріон добре розмножується при рН = 9. Прокаріоти, які краще ростуть у кислому середовищі, називаються ацидофільними. На вивченні ставлення різних мікробів до рН середовища ґрунтується низка важливих практичних заходів щодо зберігання деяких харчових продуктів у квашеному й маринованому вигляді.

Хімічні речовини. Залежно від хімічного складу, концентрації, температури, тривалості дії, виду хімічні речовини можуть чинити на мікроорганізми стимулюючу, бактеріостатичну (пригнічуючу) і бактерицидну дію. Речовини, які діють на мікроби токсично, називають антисептиками, їх дуже широко використовують проти різних шкідливих мікроорганізмів.

За характером дії хімічні речовини поділяють на кілька груп:

а) поверхнево-активні речовини -- жирні кислоти, мила, інші ПАР; ці речовини найчастіше пошкоджують клітинну стінку;

б) етанол, крезол, фенол та їхні похідні не тільки пошкоджують оболонку, а й діють руйнівно на білки цитоплазми;

в) барвники -- актифлавін, реванол та інші -- діють на ДНК і РНК, порушують цитокинез;

г) формалін спричинює денатурацію білків, згубно діє на вегетативні клітини і спори;

д) солі важких металів (мідь, срібло, свинець, цинк, ртуть та інші).

Бактерицидна дія важких металів може бути проілюстрована на прикладі срібла. Концентрація солей срібла в розведенні 1:100000 згубно діє на різні види мікробів. У садівництві, наприклад, розчини солей міді, цинку й заліза застосовують для сприскування плодових дерев при зараженні їх бактеріальними і грибковими хворобами.

Окислювачі (хлор, пероксид водню, йод, перманганат калію та інші) широко використовують для дезинфекції питної води, в медицині, сільському господарстві тощо.

Кисень. Трапляється в природі як у вільному, так і в зв'язаному стані; є обов'язковим компонентом будь-якої клітини. Переважна більшість живих організмів використовують обидві форми кисню. За відношенням до молекулярного кисню серед мікроорганізмів розрізняють: облігатні аероби, облігатні анаероби, факультативні анаероби і мікроаерофіли. Різне відношення бактерій до кисню залежить від їхніх фізіологічних особливостей.

11. Біотичні фактори (симбіоз, антагонізм, коменсалізм, метабіоз, паразитизм

Організми в природі існують у тісній взаємодії один з одним. Форми їх взаємовідносин можна умовно поділити на дві категорії: симбіотичні та антагоністичні.

Симбіотичні або асоціативні взаємовідносини відносини характеризуються взаємною вигодою. Вони розглядаються як позитивні впливи організмів одне на одного, якщо навіть тільки один партнер виграє від співжиття з іншим.

Симбіоз - форма співіснування організмів, у результаті якого обидва симбіонти мають вигоду від спільного існування. Класична форма симбіозу являє собою таку форму співіснування, коли симбіонти в певних умовах не можуть існувати окремо один від одного. Прикладом служить співжиття гриба аскоміцета з певним видом водоростей, асоціації яких утворюють новий організм - лишайники. Ця асоціація отримує взаємну вигоду тільки в дуже специфічних екологічних умовах - за дефіциту поживних речовин і в умовах засухи. Гриб є постачальником для водорості мінеральних речовин і води з навколишнього середовища, а також захищає клітини водорості від несприятливих факторів. Водорость як організм, що здатний асимілювати вуглець, постачає грибу продукти фотосинтезу і продукти фіксації молекулярного азоту з повітря.

У симбіозі бульбочкових бактерій з бобовими рослинами обидва асоціанти отримують користь від співжиття, проте зв'язки між ними є менш міцними, ніж у організмів, які утворюють лишайники. Такий різновид симбіозу називається мутуалізмом або кооперацією. І бактерії, і рослина-хазяїн можуть рости та розвиватися самостійно. У співіснуванні бульбочкові бактерії фіксують азот, продукти азотфіксації надходять до рослини, в результаті чого вона отримує доступні сполуки азоту, а бактерії - продукти асиміляції вуглецю, що утворюються в рослині.

Існує форма симбіозу мікроорганізмів з мікроорганізмами, що називається коменсалізмом, у якій симбіонти користуються захистом або поживними речовинами за рахунок макроорганізму, не приносячи йому користі, але й не завдаючи шкоди. Прикладом є взаємовідносини організму людини з нормальною мікрофлорою тіла, наприклад, з сапрофітною мікрофлорою верхних дихальних шляхів, шкіри, травного тракту.

Симбіотичні взаємовідносини в спільнотах мікроорганізмів можуть проявлятися як синтрофні. Синтрофія - це явище спільного росту двох чи більше видів мікроорганізмів на середовищі, недоступному кожному видові окремо. Найпоширенішим типом синтрофної взаємодії є обмін факторами росту або субстратами. Так, симбіоз у молочнокислих бактерій здійснюється внаслідок того, що кожний з симбіотів синтезує і виділяє в середовище речовини, необхідні для інших партнерів.

Якщо стимуляція проявляється в результаті однобічної дії, такий вид взаємовідносин називається сателітизмом. Наприклад, для спільного росту на агаризованому середовищі довкола колоній мікроорганізмів, що синтезують ціанкобаламін, розмножуються мікроорганізми, які цей вітамін не продукують.

Синтрофна взаємодія може виявлятися також у тому, що один вид мікроорганізмів готує підґрунтя для розвитку іншого.

Такий тип синтрофії називається метабіозом. Метабіоз - форма взаємозв'язку, у якій продукти метаболізму одного мікроорганізму є субстратом (поживним чи енергетичним) для іншого.

Синергізм - форма співіснування мікроорганізмів, у якій асоціантів взаємно посилюються фізіологічні функції і виникають нові властивості. Прикладом є співіснування оцтовокислих бактерій і дріжджів. Оцтовокислі бактерії перетворюють сахарозу на глюкозу і фруктозу, окислюють моноцукри до глюконової та оксоглутарової кислот, які використовуються дріжджами. Дріжджі синтезують вітаміни і забезпечують нами оцтовокислі бактерії.

Антагоністичні взаємовідносини проявляються у пригніченні одного або кількох членів мікробної спільності іншими.

Пасивний (конкурентний) антагонізм - взаємодії, за яких різні мікроорганізми використовують одні й ті самі поживні речовини. Це конкуренція у боротьбі за поживу та життєвий простір. Перевагу мають мікроорганізми, яким притаманна висока швидкість росту та невибагливість до джерел живлення.

Активний антагонізм - зумовлений виділенням бактерицидних речовин. Ними можуть бути неспецифічні продукти обміну (органічні кислоти, спирти, аміак тощо), які спричинюють коагуляцію білків цитоплазми. Причиною активного антагонізму може бути утворення специфічних бактеріостатичних або бактерицидних речовин - антибіотиків, які вибірково діють на інші мікроорганізми. Форма антагонізму зумовлена синтезом антибіотиків, розглядається як антибіоз.

Явище мікробного антагонізму широко використовується в медицині та сільському господарстві.

Найвиразніше антагоністичні відносини проявляються у формі паразитизму та хижацтва. Між цими формами взаємовідносин важко провести чітку грань, оскільки і хижаки, і паразити задовольняють свої потреби у поживі за рахунок жертви. Різниця між ними полягає в тому, що хижаки умертвляють свою жертву відразу ж, тоді як паразити живляться за рахунок живого організму, який залишається живим упродовж тривалішого часу.

Між мікроорганізмами у природних асоціаціях встановлюються певні взаємовідносини, які можуть змінюватися і не мають чітких меж між собою. Причини, від яких залежить прояв тих чи інших форм взаємовідносин, зумовлені конкретними умовами існування, а також характерними особливостями обміну речовин самих організмів.

12.Культивування і ріст мікроорганізмів

Поживне середовище для культивування мікроорганізмів повинно містити всі елементи, з яких будується клітина, причому в доступній для засвоєння організмом формі. Такими основними компонентами поживного середовища повинні бути : джерело вуглецю та енергії, джерела мінеральних сполук (азот, фосфор, сірка, калій, магній, кальцій, залізо, мікроелементи), а також (у разі потреби) і фактори росту.

Якщо поживний розчин складений з певних хімічних сполук, то таке середовище називається синтетичним.

Для зниження вартості до поживних речовин замість чистих сполук добавляють складні су мушу, такі як молочна сироватка, патока тощо. Такого рода середовища називають складними.

Середовища, які складаються з продуктів рослинного та тваринного походження, називають також натуральними.

До натуральних середовищ невизначеного складу належать і напівсинтетичні середовища, до складу яких входять сполуки відомої хімічної природи і речовини невизначеного складу.

за призначенням розрізняють елективні та диференційно-діагностичні середовища. Перші забезпечують переважний розвиток одного виду або групи мікроорганізмів і менш придатні для розвитку інших. Другі дають змогу досить швидко відрізнити одні види мікроорганізмів від інших.

За фізичним станом розрізняють рідкі, тверді та сипкі середовища.

Елективні методи культивування:

-накопичувальні культури;

-чисті культури).

Для накопичення потрібні умови, за яких організм долає конкуренцію інших; чиста культура виділяється в основному на агаризованому середовищі ( на його поверхні або всередині);

Метод накопичувальних культур дає можливість виділення мікроорганізмів з будь-якою комбінацією потреб в поживних речовинах. Дуже часто разом з «позитивною» селекцією здійснюється і «негативна».

Ріст мікроорганізмів:

-збільшення біомаси клітини;

-узгоджене збільшення кількості всіх хімічних компонентів, з яких складається клітина;

-незворотнє збільшення кількості живої речовини, пов'язане з поділом клітини і збільшенням їх кількості;

-координована реплікація всіх структур, органел і компонентів мікробної клітини, яка закінчується її розмноженням.

Ріст бактерій у бактеріальній популяції - сукупності бактерій одного виду (чиста культура) або різних видів (змішані культури, асоціації), що розвиваються в обмеженому просторі (поживне середовище та ін.). У бактеріальній популяції постіно відбувається ріст бактерій, розмноження та відмирання клітини. Для спостережень за розвитком визначають концентрацію бактерій (кількість клітин в 1 мл клітинної суспензії), бактеріальну масу (кількість міліграмів сухої біомасм в 1 мл клітинної суспензії).

Розмножуються бактерії шляхом бінарного поділу, тому їх кількість збільшується в геометричній прогресії.

Ріст бактерій у періодичній культурі - при внесенні у поживне середовище бактерії ростуть до тих пір, поки вміст якого-небудь необхідного компонента не стане мінімальним або не вичерпається, після чого ріст припиняється. якщо впродовж цього часу в середовище не вносити ніяких поживних речовин і не виводити продукти метаболізму, то одержують так звану періодичну культуру.

Такий ріст проходить у 6 фаз:

-лог-фазу - момент посіву бактерій, адаптація до умов культивування;

-експоненційна фаза - максимальна швидкість поділу клітин, процеси росту проходять збалансовано;

-фаза сповільненого росту - якісні зміни поживного середовища (споживання поживних речовин, накопичення продуктів метаболізму, дефіцит кисню, зміна рН);

-стаціонарна фаза - настає тоді, коли кількість клітин перестає збільшуватись (рівновага між клітинами, що утворюються, і між клітинами, що гинуть). Кількість біомаси в стаціонарній фазі називають виходом або врожаєм, рівень біомаси, концентрація біомаси;

-фаза відмирання - зниження кількості живих клітин, підвищення гетерогенної популяції;

-фаза відживання - характеризується наявністю окремих життєздатних клітин в умовах загибелі більшості клітин популяції. Якщо такі клітини пересіяти в свіже поживне середовище, вони починають активно рости та ділитися. Такі виживані клітини характеризуються низькою інтенсивністю процесів метаболізму.

Ріст у безперервній культурі - метод полягає в тому, що в посудину (ферментатор, культиватор), в якій вирощуються бактерії, весь час надходить свіже поживне середовище і одночасно з такою самою швидкість відводиться культурна рідина, яка вміщує бактеріальні клітини та продукти метаболізму. Тобто клітини майже весь час перебувають у фазі експоненційного росту за постійної концентрації субстрату та інших незмінних умов.

Синхронні культури - використовуються для вивчення окремих компонентів клітини в процесі її поділу, проведення цитогенетичних та генетичних досліджень.

Це культури, в яких певний час всі клітини діляться одночасно (синхронно) за рахунок однакової готовності до росту та поділу. Синхронізація досягається фізичними та хіміко-біологічними методами.

Фізичні - температурна дія, диференційне центрифугування, диференційне фільтрування, чергування світлових і темнових режимів.

Хіміко-біологічні - вирощування бактерій на неповноцінних поживних середовищах з наступним перенесенням їх у повноцінні середовища, вимушене голодування бактерій.

13.Біохімічні процеси, що викликаються мікроорганізмами, їх використання в харчовій промисловості (бродіння: спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, оцтовокисле, маслянокисле)

Із трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння та фотосинтез) бродіння є найпростіший.

Бродіння - це такий метаболічний процес, у якому регенерується АТФ, а продукти розщеплення органічного субстрату можуть служити одночасно і донорами, і акцепторами водню.

Загальна схема бродіння

Органічний субстрат є джерелом енергії та вуглецю. Реакції синтезу АТФ є реакціями окиснення. Від окисленого вуглецю клітина позбавляється, виділяючи СО₂. Окремі етапи окиснення являють собою дегідрування, за якого водень переноситься на над. Акцепторами водню, який міститься у вигляді НАДН, є проміжні продукти розщеплення субстрату. За рахунок НАДН ці проміжні продукти відновлюються, а продукти відновлення виводяться з клітини.

залежно від того, які продукти переважно утворюються у процесі зброджування субстратів, розрізняють спиртове, молочнокисле, маслянокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле та оцтовокисле бродіння. Молекулярний кисень участь у бродінні не бере. Більшість мікроорганізмів, які здійснюють бродіння, є облігатними анеробами або факультативними аеробами, здатними рости як у присутностіііі кисню, так і без нього. При цьому кисень пригнічує бродіння, і воно змінюється диханням.

Спиртове бродіння.

Основними продуцентами етанолу є дріжджі Saccharomyces cerevisiae та бактерії (наприклад, Zymomonas mobilis).

Нормальне бродіння. Утворення етанолу дріжджами здійснюється гліколітичним шляхом, глюкоза окислюється до пірувати двома шляхами: піруват декарбоксилюється піруватдекарбоксилазою до ацетальдегіду; ацетальдегід відновлюється алкогольдегідрогеназою до етанолу за участю НАДН. При цьому переноситься водень. Окисно-відновний баланс зберігається.

Форми бродінь, відкриті К.Нейбергом: бродіння у присутності бісульфіту ( використовується у промисловості для виготовлення гліцерину), бродіння у присутності бікарбонату натрію або двозаміщеного фосфорнокислого натрію (також утворюється гліцерин).

Ефект Пастера. У деяких дріжджів бродіння можна майже пригнітити посиленою аерацією. Такий ефект властивий також факультативно аеробним клітинам.

Утворення етанолу бактеріями. Відомий для дріжджів шлях утворення етанолу проходить тільки у бактерій Sacrina ventriculi.

Інші бактерії розщеплюють глюкозу КДФГ-шляхом, у бродінні деякими видами ентеробактерій і клостридіями етанол є побічним продуктом (шляхом перетворення КоА), гетеро ферментативні молочнокислі бактерії утворюють етанол розкладанням глюкози пентозофосфатним шляхом.

Молочнокисле бродіння.

Група молочнокислих бактерій (родина Lactobacillaceae) є гетерогенними, грам позитивними бактеріями, що не утворюють спор, переважно нерухливі. Вони використовують вуглеводи як джерело вуглецю та енергії і виділяють молочну кислоту. Для росту цих бактерій потрібні вітаміни, амінокислоти, пурини і піримідини. Вирощують їх в складних середовищах, з достатньо високою концентрацією дріжджового автолізату, томатного соку, молочної сироватки і навіть крові. Молочнокислі бактерії можуть використовувати молочний цукор (лактозу).

В залежності від продуктів, які утворюються в процесі зброджування глюкози молочнокислі бактерії поділяються на гомо- та гетеро ферментативні.

Гомо ферментативні молочнокислі бактерії утворюють тільки одну молочну кислоту. Глюкоза катаболізується глікотичним шляхом.

У гетероферментативнихмолочнокислих бактерій відсутні такі ферменти гліколізу, як альдолаза та триозофосфатізомераза. Тому початкове розщеплення глюкози у них відбувається пентозофосфатним шляхом. Інші гетероферментативні бактерії переводять частково або повністю ацетил фосфат в оцтову кислоту, утворюється АТФ, надлишок водню передається на глюкозу, що відновлюється до маніту. З гліцеральдегідфосфату через піруват утворюється лактат.

У біфідобактерій глюкоза перетворюється на фруктозо-6-фосфат гліколітичним шляхом, а потім фруктозо-6-фосфат за допомогою активних фосфокетолаз перетворюється на ацетил фосфат і ксилулозо-5-фосфат, який дає ацетил фосфат і гліцеральдегідфосфат. Ацетил фосфат відновлюється до ацетату, а гліцеральдегідфосфат через піруват - до лактату.

Молочнокислі бактерії пригнічують ріст інших анаеробних бактерій.

Пропіоновокисле бродіння.

Ці бактерії існують у рубці та кишечнику жуйних тварин, де вони беруть участь в утворенні жирних кислот (пропіонової і оцтової). Завдяки цим бактеріям молочна кислота перетворюється на пропіонову. Ці бактерії грам позитивні нерухомі палички, що не утворюють спор. Не переносять присутності кисню, ростуть в анаеробних умовах, регенерують АТФ за рахунок бродіння. Є бактерії, які в анаеробних умовах зброджують сахарозу, глюкозу, лактозу, пентози, малат, лактат, гліцерин з утворенням пропіонової кислоти.

Утворення пропіонової кислоти відбувається відновленням лактату чи пірувату метилмалоніл-КоА-шляхом.

Маслянокисле бродіння

Масляна кислота, н-бутанол, ацетон, пропаном є типовими продуктами бродіння анаеробних спороутворювальних бактерій (клостридій). Це рухливі, грам позитивні, вегетативні паличкоподібні бактерії, спори яких є терморезистентними. Вони відзначаються різко вираженим бродильним типом метаболізму. Ростуть тільки в анаеробних умовах. Із запасних речовин характерними є крохмалеподібні полісахаріди. Оптимальним рН є нейтральне або лужне.

За здатністю використовувати різні субстрати клостридії поділяють на дві групи: цукролітичні та пептолітичні.

Катаболізм глюкози здійснюється гліколітичним шляхом. Водень переноситься на органічні кислоти або кетони, які утворюються з пірувату або ацетил-КоА.

Схема бродіння

Оцтовокисле бродіння характерне для продуктів, які містять етиловий спирт, під дією оцтовокислих бактерій з утворенням оцтової кислоти. Воно викликає скисання вин, квасу.

Клостридії здатні зброджувати суміш етанолу та ацетату до бутирату та молекулярного водню (зброджування глютамінової кислоти, спряжене зброджування двох амінокислот).

Деякі клостридії здатні переносити водень, відщеплений від субстрату в початкових реакціях окиснення, тільки на вуглецю, утворюючи при цьому ацетат. Окиснення глюкози до пірувату проходить гліколітичним шляхом.

Деякі пептолітичні клостридіх можуть бути збудниками інфекційних хвороб у разі поранень, причиною харчових отруєнь.

14.Інфекція, харчові токсикоінфекції та токсикози

Інфекція - це взаємодія патогенних мікробів (при сприятливих умовах) з організмом людини, тварини або рослини, внаслідок чого виникають інфекційні захворювання.

Забруднення патогенними мікроорганізмами харчових продуктів призводить до таких небезпечних хвороб: червоного тифу, паратифу, холери, дизентерії, скарлатини, туберкульозу, сибірки тощо. Навіть невеликі дози цих збудників спричинюють захворювання, оскільки, потрапляючи в організм, вони починають активно розмножуватись. Хвороботворні мікроби можуть проникати в організм людини через повітря, воду, бацилоносіїв - хворих людей і тварин, комах, гризунів та іншими шляхами.

Характерні ознаки захворювання проявляються не відразу, а через деякий час після приймання їжі, який називається інкубаційним періодом. Саме тоді мікроби починають розмножуватись, і в організмі накопичуються сильнодіючі продукти їх життєдіяльності. При різних захворюваннях тривалість інкубаційного періоду становить від декількох годин до декількох тижнів і навіть місяців. Після його закінчення з'являються симптоми характерні для конкретного інфекційного захворювання.

Інфекції виникають тільки при наявності в харчових продуктах живих клітин мікроорганізмів, які мають певний інкубаційний період і свої ознаки. Вірулентність, або ступінь патогенності мікробів змінюється залежно від умов їхнього існування. Патогенні мікроби виробляють отруйні речовини - токсини. Вони бувають двох видів: екзотоксини і ендотоксини. Екзотоксини виділяються з клітин в навколишнє середовище в період життєдіяльності мікроорганізмів, а ендотоксини - лише після порушення цілісності клітинної стінки. Екзотоксини більш отруйні ніж ендотоксини.

Організм людини або тварин може не сприймати дію патогенних мікробів. Такий етап називається імунітетом. Інакше кажучи, організм здатний протистояти розмноженню мікроорганізмів і знезаражувати токсини (отрути).

Для систематизації харчових отруєнь був розроблений ряд класифікаційних схем, з яких найбільш обґрунтованою і повною є класифікація, запропонована К. С. Петровським, а саме на харчові отруєння мікробної і немікробної природи і невстановленої етіології. У свою чергу перші містять у собі токсикоінфекції, інтоксикації і мікотоксикози, а другі - гострі і хронічні немікробні отруєння.



Харчові отруєння бактеріальної природи.

Серед бактеріальних харчових отруєнь найбільше поширення у всіх країнах світу мають токсикоінфекції. Етіологія цих отруєнь найбільше часто буває зв'язана з деякими представниками сальмонел.

При проведенні спеціальних досліджень було встановлено, що основну роль у токсикоінфекції має надходження в шлунково-кишковий тракт живих мікробів, причому продукти, навіть рясно засіяні сальмонелами, після ретельної термічної обробки не викликають захворювань.

Передача в основному здійснюється через інфіковані харчові продукти. У багатьох випадках зараження відбувається при вживанні в їжу м'яса хворих тварин чи бацилоносіїв, у яких зараження було спровокованим важкою травмою, голодуванням, сильним стомленням і т.д. Іншим шляхом є посмертне зараження тварин, обумовлене недотриманням правил забою худоби й оброблення гаси, коли вміст кишечнику попадає на її поверхню.

Профілактика токсикоінфекцій вимагає встановлення строгого ветеринарно-санітарного контролю на тваринницьких фермах і бойнях і дотримання загальних гігієнічних правил на підприємствах суспільного харчування. До заходів щодо попередження масивного розмноження мікроорганізмів у харчових продуктах відносять достатнє охолодження і швидку реалізацію готових виробів, що виключає затримку їх у теплих приміщеннях кухні.

Особливим видом бактеріальних харчових отруєнь є токсикози - захворювання, обумовлені на противагу токсикоінфекціям проникненням в організм не живих мікробів, а тільки їхніх токсинів. До цих отруєнь відносяться стафілококові інтоксикації, викликувані деякими штамами білого і золотавого стафілококів, основними джерелами яких можуть служити молочна худоба і людина. У першому випадку причиною, як правило, є вживання в їжу молока корів, хворих маститами, у другому інфікування обумовлюється різними гнійними поразками шкіри й ангінами. У цьому відношенні необхідно завжди пам'ятати, що маленький гнійничок на руці в кухаря може стати причиною великого спалаху харчових отруєнь.

Часто ці інтоксикації зв'язують зі споживанням молочних чи продуктів виробів з них, зокрема морозива й особливо заварного крему, причому останній служить як би нагромаджувачем токсинів.

У виді того що стафілококовий ентеротоксин є теплотривким і витримує 30-хвилинне кип'ятіння, то основою профілактичних заходів є високий рівень санітарного благоустрою харчових підприємств, що усуває небезпеку бактеріального осемінення устаткування, продуктів і готових виробів.

Одним з найбільш важких харчових отруєнь є ботулізм, випадки якого реєструються у всіх країнах світу. Доведено, що це дуже небезпечне захворювання викликається токсином анаеробної бацили довгострокового мешканця ґрунту. По своїй біологічній активності він перевершує усі відомі токсини інших мікробів.

Мікотоксикози. До мікробних харчових отруєнь відносяться і так називані мікотоксикози, що являють собою захворювання, обумовлені продуктами життєдіяльності мікроскопічних грибів. Класичним прикладом даної групи отруєнь служить ерготизм, викликуваний споживанням деяких продуктів рослинного походження, заражених мікотоксином ріжка. Найчастіше цей мікроскопічний гриб уражає жито, рідше - пшеницю і ячмінь, причому отрутним його початком є група алкалоїдів (ерготамин, ергометрин, ергобазин і ін.), стійких до нагрівання і зберігає свою токсичність при випічці хліба.

Основним профілактичним заходом щодо попередження ерготизма служить очищення посівного зерна від ріжка, причому її зміст у борошні не повинне перевищувати 0,05%.

До числа харчових отруєнь, викликуваних мікроскопічними грибами, варто віднести і групу фузаріотоксикозів, зокрема аліментарно-токсичну алейкію. Це важке захворювання виникає при вживанні зерна перезимованих на корені злаків, інтенсивно заражених грибами з роду фузаріум.