Микробиология для товароведов

Патогенность. При заражении белых мышей большими дозами Вас. cereus они погибают. В то же время он непатогенен в отличие от Вас. anthracis для морских свинок и кроликов. Вас. cereus выделяет фермент лецитиназу, являющийся фактором вирулентности. Наличие этого микроорганизма в продуктах может вызывать пищевые отравления. Вас. cereus может вызвать мастит у коров.

Диагностика. Учитывая количественный фактор в патогенезе пищевых отравлений, вызываемых Вас. cereus на первом этапе микробиологического исследования проводят микроскопию мазков (окраска мазков по Граму). Наличие в мазках грамположительных палочек толщиной 0,9 мкм позволяет поставить ориентировочный диагноз: «споровый аэроб группы 1а». По современной классификации в группу 1а входят Вас. anthracis и Вас. cereus. При выяснении этиологии пищевых отравлений большое значение имеет дифференциация Вас. cereus и Вас. anthracis, так как кишечная форма сибирской язвы, вызываемая Вас. anthracis, по клиническим признакам может быть принята за пищевое отравление.

Второй этап микробиологического исследования проводят в том случае, если количество обнаруженных при микроскопии палочек достигает в 1 г продукта 10⁸.

Затем, по результатам микроскопии патологический материал высевают на кровяной агар в чашки Петри и инкубируют при 37°С в течение 1 сут. Наличие широкой, резко очерченной зоны гемолиза позволяет поставить предварительный диагноз на присутствие Вас. cereus. Для окончательной идентификации производят посев выросших колоний в среду Козера и углеводную среду с маннитом. Ставят пробу на лецитиназу, ацетилметилкарбинол и проводят дифференциацию Вас. anthracis и других представителей рода Bacillus. Вас. anthracis отличается от Вас. cereus рядом характерных признаков: рост в бульоне и желатине, способность образовывать капсулу в организмехи на средах, содержащих кровь или кровяную сыворотку.

Кроме вышеописанных методов применяют экспресс-методы дифференциации Вас. anthracis от Вас. anthracoides, Вас. cereus и других: феномен «ожерелья», пробу с сибиреязвенным бактериофагом, реакцию преципитации -- и проводят люминесцентную микроскопию. Можно использовать также цитопатогенный эффект фильтрата Вас. cereus на клетки культур тканей (фильтрат Вас. anthracis такого эффекта не оказывает).

От других сапрофитных споровых аэробов Вас. cereus отличается по ряду свойств: способность образования лецитиназы, ацетилметилкарбинола, утилизация цитратных солей, ферментация маннита и рост в анаэробных условиях на среде с глюкозой. Особенно важное значение придают лецитиназе.

Образование на кровяном агаре зон гемолиза не является постоянным признаком у Вас. cereus. так как некоторые штаммы и разновидности Вас. cereus (например, Var. sotto) не вызывают гемолиза эритроцитов, в то время как многие другие виды споровых аэробов

Уксусно-кислое брожение представляет собой процесс превращения этилового спирта при участии кислорода в уксусную кислоту. Брожение является важным в хозяйственном отношении, так как позволяет получать в больших количествах из доступных субстратов уксусную кислоту -- вещество, широко используемое в пищевой, текстильной и других отраслях промышленности.

Процесс уксусно-кислого брожения протекает в два этапа. Сначала этиловый спирт окисляется до уксусного альдегида: а затем уксусный, альдегид в результате дальнейшего окисления превращается в уксусную кислоту:

Результаты этих превращений могут быть выражены следующим суммарным уравнением:

Возбудители уксусно-кислого брожения встречаются на растениях, ягодах, фруктах, часто совместно с дрожжами в квашеных овощах, в почве, воздухе, на зерне и многих других материалах. Они представляют собой слабоподвижные или неподвижные бесспоровые палочки; отличаются высокой степенью устойчивости к кислотам, некоторые способны проявлять жизнедеятельность при содержании в среде до 7--11 % уксусной кислоты; нуждаются в питательных средах сложного состава; оптимальная температура их развития 20--34°С.

Важными представителями этой группы являются уксусная палочка, способная накапливать в среде до 6 % кислоты, орлеанская уксусно-кислая палочка, накапливающая до 9,5 % кислоты и хорошо развивающаяся на слабом вине, а потому использующаяся для промышленного получения винного уксуса, а также палочка Шютценбаха, которая образует сплошную поверхностную пленку и накапливает до 11,5% уксусной кислоты.

Для промышленного получения пищевого уксуса слабый спиртовой раствор сбраживают чистыми культурами в условиях с принудительной аэрацией. Процесс отбора готовой продукции (столового уксуса) ведется непрерывно. Реже пользуются старинным способом сбраживания в открытых чанах разбавленного столового вина для получения так называемого винного уксуса.

Уксусно-кислые бактерии способны сбраживать не только этиловый спирт, но и другие первичные спирты, превращая их в соответствующие кислоты. Они могут также окислять вторичные спирты в кетоны. Например, молочная кислота окисляется в пиро-виноградную, являющуюся кетонокислотой, по схеме

Попадая на различные товары, уксусно-кислые бактерии могут вызывать их порчу -- скисание вина, пива. Они являются вредителями спиртового, дрожжевого, хлебопекарного и других производств.

18 Процесс открыт Л. Пастером в 1861 г. На его примере была установлена возможность жизни бактерий в бескислородных условиях, Масляно-кислое брожение является сложным биохимическим процессом превращения углеводов, иногда спиртов, других кислот в масляную кислоту. Образуются также уксусная, пропионовая, валериановая, капроновая, янтарная, муравьиная и другие кислоты, этиловый, бутиловый, амиловый, пропиловый спирты, водород и углекислота. При щелочной реакции среды преобладает выход масляной кислоты -- бутилового спирта и ацетона. Остальные вещества образуются в незначительных количествах.

Возбудители масляно-кислого брожения широко распространены в природе. Они встречаются в почве, навозе, загрязненной воде, молоке, сыре и т. д. Особенно широко они представлены в различных почвах -- до 90 % образцов почвы содержат эти бактерии.

Возбудители масляно-кислого брожения имеют характерные отличия от большинства других бактерий-- в клетках у них откладывается крахмалоподобное вещество -- гранулеза, поэтому клетки при обработке их иодом окрашиваются в синий цвет. Все бактерии этой группы образуют споры, которые имеют эллептическую форму, от 1 до 1,6 мкм в длину и 0,8 мкм в ширину. При образовании споры цилиндрическая форма клеток изменяется; она приобретает вид веретена или барабанной палочки. Размер самих клеток -- 4--12 мкм в длину при диаметре 1--1,5 мкм.

Масляно-кислые бактерии -- строгие анаэробы и хорошо растут только при давлении кислорода не боле 3--5 мм ртутного столба. В качестве азотного питания могут использоваться различные азотистые соединения -- пептон, минеральные азотистые вещества и др. Лучшая температура для их развития колеблется в пределах 30--40 °С. Споры могут выносить кипячение в течение нескольких минут.

К группе масляно-кислых бактерий - относится много бактерий -- клостридиум бутурикум, клостридиум сахаробутурикум, клостридиум пастерианум и др.

Отличаются между собой в основном способностью накапливать в разных соотношениях масляную кислоту, ацетон, бутиловый спирт.

Общее уравнение этого брожения, учитывающее лишь постоянно образующиеся вещества, выглядит так:

Более подробное рассмотрение химизма брожения затруднительно в связи с многообразием получающихся веществ. Общим с другими брожениями является лишь часть процесса, заканчивающаяся образованием пировиноградной кислоты.

Масляная кислота представляет собой бесцветную летучую жидкость с резким запахом. При значительном разведении она, так же как и ее соли, имеет неприятный запах пота. В технике масляная кислота находит применение в кондитерском и парфюмерном производствах в виде эфиров, т. е. соединений со спиртами. Эфиры являются ценными ароматическими веществами. При небольших концентрациях запах напоминает некоторые фрукты. Так, например, эфир масляной кислоты имеет яблочный запах, этиловый -- грушевый, амиловый -- ананасный и т. п.

Не менее ценными промежуточными продуктами являются ацетон, бутиловый спирт. Для повышения их выхода меняют кислотность среды при брожении, используют особо продуктивные разновидности масляно-кислых бактерий.

В природных условиях масляно-кислое брожение играет громадную роль в разрушении растительных остатков, богатых углеводами,-- в почве, на дне рек, болот, т. е. везде, куда затруднен доступ воздуха.

Масляно-кислое брожение, однако, часто приносит и вред, вызывая бомбаж в консервах, прогоркание молока, вспучивание сыров и др.

Молочно-кислое брожение представляет собой процесс, столь же важный с хозяйственной точки зрения, как и рассмотренное выше спиртовое брожение.

Молочно-кислое брожение играет определяющую роль при производстве простокваши, кумыса, кефира, сметаны; при квашении капусты, огурцов; силосовании сочных растительных кормов. Очень важна его роль при изготовлении жидких дрожжей, заквасок, кваса.

Важным техническим продуктом является сама, молочная кислота, широко применяемая при производстве фруктовых соков, консервов, в кондитерской, кожевенной, текстильной и других отраслях промышленности.

Все микроорганизмы, способные вызывать молочно-кислое брожение, в зависимости от соотношения получаемых конечных продуктов брожения делятся на две группы -- гомоферментативные (типичные) и гетероферментативные (нетипичные).

Гомоферментативные молочнокислые бактерии являются анаэробами или микроаэрофилами. Они неподвижны, спор не образуют, грамположительны, хорошо выносят высушивание (сухие молочно-кислые закваски сохраняются годами). Требовательны к питательной среде, так как многие нуждаются в свободных аминокислотах и других ростовых веществах, в витаминах.

Среди них встречаются палочковидные и кокковые формы. Все они кислотоустойчивы. Палочковидные формы образуют до 2--3 % кислоты, кокковые -- до 1--1,2 %. В процессе брожения из сахаров образуют в основном молочную кислоту при самом минимальном количестве побочных продуктов. Суммарное уравнение брожения, вызываемого ими, выглядит следующим образом:

Химизм молочно-кислого брожения сходен со спиртовым. Сбраживанию могут подвергаться как простые моносахара, так и дисахара. Более сложные углеводы перерабатываться не могут, так как молочно-кислые бактерии не имеют ферментов для их расщепления.

В связи с некоторыми различиями в ферментных системах сходство процессов превращения сахаров при молочно-кислом и спиртовом брожениях сохраняется лишь до образования пировиноградной кислоты. Отсутствием у гомоферментативной группы молочно-кислых бактерий ферментов, способных вызывать декарбоксилирование пировиноградной кислоты, объясняется невозможность образования уксусного альдегида. Сама пировиноградная кислота, являясь кетонокислотой, восстанавливается в соответствующую оксикислоту. Восстановление осуществляется ферментом лактикодегидрогеназой. Восстановленная форма кофермента лактикодегидрогеназы (НАДН₂) отдает водород пировиноградной кислоте по следующей схеме:

Наибольший интерес из гомоферментативных возбудителей молочно-кислого брожения представляют следующие.

Молочно-кислый стрептококк -- кокки встречаются в молоке и сквашивают его. Газа не образуют. Лучше всего развиваются при температуре 30-- 35 °С; в этих условиях молоко свертывается через 10--12 ч, В среде накапливают до 1 % кислоты. Кокки соединены в короткие цепочки или попарно.

Сливочный стрептококк -- кокки лучше растут при температуре 25--30 °С. Применяются в заквасках наряду, с предыдущими. Накапливают до 0,8% кислоты. Кокки образуют длинные цепочки.

Болгарская палочка имеет оптимальную температуру роста 40--45 °С. В молоке образует 2,7-* 3,7 % молочной кислоты. Часто образует длинные цепочки.

Ацидофильная палочка имеет температурный оптимум роста 40 °С, В молоке накапливает до 2,2% кислоты. Применяется для производства ацидофильного молока. Способна к слизеобразованию.

Палочка Дельбрюка имеет оптимум температуры развития 45--50 °С. Сбраживает растительные сахара, но совсем не сбраживает молочный сахар -- лактозу. Необходима для производства молочной кислоты. Развивается при квашении овощей. Вредит в сахарном и спиртовом производствах. Клетки располагаются поодиночке или в виде коротких цепочек.

Молочно-кислая палочка (бакт. плантарум)--одна из основных культур, развивающихся при квашении овощей, силосовании кормов. Может принимать участие в порче сыров типа Чеддер, вызывая, появление ржавых пятен. Вредит в сахарном и спиртовом производствах.

Сырная палочка имеет оптимальную температуру роста 40--42 °С. Накапливает до 1,5% кислот. Имеет важное значение в сыроделии, принимая участие в созревании Швейцарского и Советского сыров. Участвует в брожении кумыса.

Гетероферментативные молочно-кислые бактерии являются факультативными анаэробами. При брожении, кроме молочной кислоты, в зависимости от видов участвующих бактерий и условий брожения образуют разнообразные вещества -- уксусную кислоту, этиловый спирт, а также янтарную кислоту, различные эфиры, углекислый газ, водород, диацетил (вещество, обладающее характерным приятным ароматом) и др. В общих чертах уравнение этого брожения, учитывающее основные конечные продукты, выглядит так:

Участием молочно-киелых гетероферментативных бактерий наряду с дрожжами при выбраживании ржаного теста объясняются значительное накопление молочной и уксусной кислот, этилового спирта, выделение СО₂. При совместном обитании молочно-кислые бактерии оказывают на дрожжи благотворное влияние.

Еще более наглядным примером симбиотического сожительства этих микроорганизмов являются так называемые кефирные зерна, применяемые как закваска при производстве кефира.

Группа гетероферментативных бактерий способна к более глубокому расщеплению белков, чем гомо-ферментативная.

По отношению к температуре среди молочно-кис-лых бактерий различают группу мезофилов, оптимальная температура развития которых 35°С, и труппу термофилов, оптимум температуры для которых около 45 °С. При создании условий, соответствующих требованиям молочно-киелых бактерий, процессы брожения идут с наибольшей скоростью.

Среди гетероферментативных видов молочно-кислых бактерий наиболее важны следующие.

Капустная палочка -- возбудитель брожения при сквашивании капусты и огурцов. Образует до 1,2% молочной кислоты. Наряду с другими веществами продуцирует много ароматических веществ, придающих продуктам в процессе сквашивания приятные вкус и аромат.

Ароматообразующие молочно-кислые стрептококки образуют из углеводов заметное количество эфиров и диацетила.

Из нетипичных молочно-киелых бактерий заслуживают внимания также представители рода лейконосток. Это слегка удлиненные кокки размером 0,8-- 1 мкм, образующие цепочки или располагающиеся попарно. Часто образуют слизистую оболочку. Термовыносливы-- выносят нагревание до 88 °С. Могут принимать участие в порче вин, понижая кислотность и превращая их в сплошную слизистую массу.

Молочно-кислые бактерии из обеих групп способны вызывать порчу и других товаров. Являясь строгими анаэробами или же микроаэрофилами, они усиленно развиваются в упакованных в пленки товарах». Вызывают ослизнение мясных товаров при их вакуумной упаковке. Многие из них вызывают забраживание соков. Являясь довольно термостойкими, в отдельных случаях сохраняются после пастеризации в. молоке и вызывают его порчу. Некоторые представители этой группы способны приживаться в кишечнике человека, играя роль антагонистов гнилостных бактерий. Это их свойство и послужило основанием для гипотезы И. И. Мечникова, согласно которой молочно-кислые бактерии следует использовать в качестве средства борьбы с преждевременной старостью, наступающей в связи с постоянным отравлением человека продуктами жизнедеятельности гнилостных микроорганизмов желудочно-кишечного тракта. Использованная первоначально И. И. Мечниковым для этой цели болгарская палочка оказалась малоустойчивой к кислой среде желудочного сока. В дальнейшем вместо нее получила применение культура ацидофильной палочки, более стойкой, способной приживаться в организме человека. В целом эта гипотеза не разрешила проблемы борьбы с преждевременной старостью. Однако составная ее часть -- идея использования антагонизма между микробами -- получила признание и широко используется в настоящее время в практике.

Спиртовое брожение лежит в основе целого ряда пищевых производств -- виноделия, пивоварения, изготовления спирта. Оно играет существенную роль в процессах хлебопечения, производства диетических кисло-молочных продуктов и других технических процессах. Оно заключается в превращении углеводов в этиловый спирт, углекислый газ и другие вещества.

Типичными представителями микроорганизмов -- возбудителей этого брожения являются настоящие дрожжи, в основном из рода сахаромицес.

При определенных условиях слабое брожение могут вызывать некоторые бактерии и плесневые грибы. Непосредственную связь дрожжей и спиртового брожения, издавна известного людям из практики превращения виноградного сока в вино, установил Л. Пастер. В дальнейшем Либихом, Э. Бухнером и А. Н. Лебедевым было доказано, что спиртовое брожение может происходить и без непосредственного участия дрожжей или даже бесклеточных ферментных препаратов, полученных из дрожжей.

В настоящее время установлено, что спиртовое брожение представляет собой целый ряд последовательно совершающихся окислительно-восстановительных и других превращений, в результате которых образуются этиловый спирт, углекислый газ и другие вещества. Легче всего дрожжами сбраживаются простые сахара -- фруктоза, глюкоза.

Дисахара (сахароза), мальтоза также могут сбраживаться. Предварительно они гидролизуются дрожжами на составляющие их моносахара (гексозы).

Молочный сахар -- лактоза сбраживается лишь немногими, редко встречающимися расами дрожжей.

Более сложные углеводы (крахмал, гликоген и др.) они не сбраживают. В практике такие углеводы предварительно гидролизуются кислотным или ферментативным методом, после чего становятся доступными для дрожжей.

Дрожжи широко распространены в природе. Встречаются на фруктах, ягодах, винограде, в почве и воздухе, особенно в летнее время. Принято различать культурные и дикие дрожжи. Культурными называются дрожжи, имеющие техническое применение в связи с теми или иными положительными свойствами. Например, дрожжи, применяемые в пивоварении, обладают способностью хорошо осветлять пиво, придавать ему приятные вкус, аромат; виноградные -- обеспечивают особый букет; хлебные -- отличаются активным размножением и способностью хорошо разрыхлять тесто. Дикие дрожжи имеют более слабую бродильную способность и образуют вещества, придающие неприятные привкус и запах.

Уравнение спиртового брожения в общем виде выглядит следующим образом:

Расчет, основанный на учете молекулярных весов сахара и,спирта, показывает, что из каждой весовой единицы углевода теоретически возможно образование лишь около половины спирта:

Суммарное уравнение спиртового брожения не раскрывает всей сложности процессов превращения сахара в спирт и углекислый газ, а также того, что, кроме главных продуктов брожения, обычно еще образуются в некотором количестве побочные продукты -- янтарная и уксусная кислоты, глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла (смесь изомеров высших спиртов -- амилового, изобутилового, бутилового и прочих), а также ряд веществ, от присутствия ко» торых даже в ничтожных количествах зависят специфические вкус и аромат вина, пива и других продуктов.

На промежуточных этапах брожения появляются такие соединения, как трифосфороглицериновый альдегид СН₂О(Н₂РО₃) и пировиноградная кислота СН₃СОСООН, которая в последующей стадии спиртового брожения декарбоксилируется под влиянием фермента пируватдекарбоксилазы и превращается в уксусный альдегид и углекислый газ:

Уксусный альдегид с помощью восстановленной формы фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт:

Эта реакция иллюстрирует завершающий этап спиртового брожения. Постоянное присутствие среди продуктов брожения глицерина объясняется восстановлением части трифосфоглицеринового альдегида еще на промежуточных этапах в соответствующий спирт -- глицерин по схеме, аналогичной восстановлению уксусного альдегида.

Химизм спиртового брожения несколько меняется под действием различных факторов. В щелочной среде, кроме спирта, образуется уксусная кислота. Прибавление бисульфита натрия к бродящей жидкости приводит к образованию, кроме спирта, значительных количеств глицерина и уксусного альдегида.

Наиболее энергично спиртовое брожение протекает при температуре 25--40 °С.

Дрожжи способны вести брожение как при очень малом содержании Сахаров, так и в довольно концентрированных субстратах, содержащих до 60 % Сахаров. Они выдерживают присутствие продуктов своей жизнедеятельности (СО₂ и спирта) в довольно высоких концентрациях. Так, брожение продолжается, хотя и крайне медленно, даже при накоплении спирта до 10--12 %. Чувствительность дрожжей к спирту повышается при увеличении температуры и при высокой концентрации сахаров.

Дрожжи могут переносить и высокие концентрации углекислого газа, хотя его избыток несколько замедляет брожение.

Нахождение в бродящем субстрате белков в количестве, большем, чем необходимо дрожжам для пластических целей, ведет к тому, что белки, не являясь дефицитными в данном случае, также используются как энергетический материал. Расщепление белков на аминокислоты, дезаминирование и декарбоксилирование последних приводят к образованию сивушных масел, резко ухудшающих качество продукции, получаемой брожением.

Дрожжи в зависимости от поведения при разных температурах делятся на две группы: дрожжи верхового и низового брожения.

Дрожжи верхового брожения хорошо развиваются при доступе кислорода; бродящий субстрат делают мутным, на дне его образуют рыхлый осадок; брожение сопровождается обильным образованием углекислоты и пены.

Дрожжи низового брожения при средних и оптимальных температурах (6--10°С) более активны; они оседают на дно скорее, образуя компактный осадок.

Верховые дрожжи используют при производстве спирта, в хлебопечении; различные расы низовых дрожжей -- для производства пива, вин. Так, например, известны расы винных дрожжей -- Алиготэ, Массандра 3, Шампанское 7, Магарач 7, Малиновая 10 и др.

Чистым культурам дрожжей этих рас присваиваются названия тех сортов винограда, вин или соков, для переработки которых они применяются.

Применение чистых культур определенных рае дрожжей улучшает технологию сбраживания, обеспечивает получение вин, пива, кваса с определенными специфическими потребительскими достоинствами -- вкусом, ароматом, прозрачностью, стойкостью при хранении.

Важной отраслью пищевой промышленности является производство различных типов пекарских дрожжей.

При наличии достаточного количества кислорода дрожжи переходят на аэробный тип дыхания, при котором более экономно расходуется субстрат в свя-зц с большим выходом энергии на грамм-молекулу сброженного сахара. При этом они усиленно размножаются. Эта особенность положена в основу производства пекарских дрожжей.

Клетки дрожжей, выращенные в жидкой высокопитательной среде в условиях хорошей аэрации, затем отделяют, промывают, после чего спрессовывают в брикеты различной массы.

Ранее на ряде примеров была оценена возможная роль дрожжей в порче различных товаров (плодов, ягод, соков, мяса, рыбы), однако и сами дрожжи, и ими осуществляемые технологические процессы могут быть объектом воздействия других микроорганизмов, попадающих из внешней среды. Так, в виноделии часто наблюдается порча вин в результате развития случайных, диких дрожжей.

Вина при этом мутнеют, теряют характерные для данного сорта запах и вкус.

Молочно-кислые, пропионово-кислые и уксуснокислые бактерии вызывают скисание вин, образование в них тягучей массы (ослизнение).

В производстве пива существенный вред приносят дикие пленчатые дрожжи. Попадая в бродильные емкости или в готовое пиво, они делают пиво мутным, придают ему пустые, неприятные вкус и запах.

Плесневению, гниению и другим процессам порчи могут подвергаться при хранении прессованные и сухие дрожжи.

Актиномицеты, или лучистые грибы,-- микроорганизмы, близкие как к плесневым грибам, так и к бактериям. В значительных количествах они встречаются в почве, в болотной, озерной, речной воде и др. Это одноклеточные организмы, имеющие ветвистое строение тела. Все нити, из которых состоит тело, носят название мицелий. Часть мицелия актиномицетов развивается над поверхностью питательного субстрата, часть же располагается в его толще (рис. 9).

Актиномицеты малотребовательны к условиям обитания по сравнению с другими микроорганизмами. Среди актиномицетов многие являются антагонистами разнообразных, в том числе болезнетворных, микробов. Актиномицеты продуцируют лекарственные вещества -- антибиотики. Размножаются актиномицеты с помощью особых тел -- спор, образующихся в большом количестве на воздушной части мицелия. Некоторые виды размножаются делением или «перешнуровыванием» клетки во многих местах. При развитии на пищевых продуктах вызывают их порчу, придавая землистый запах.

Развиваясь на лабораторных плотных питательных средах, образуют колонии очень компактной структуры, сильно прикрепленные к поверхности сред.

К актиномицетам относятся и некоторые возбудители болезней, например туберкулезная палочка.

Актиномицеты. можно рассматривать как переходную форму между бактериями и более сложно организованными плесневыми грибами.

Дрожжи по способности к образованию спор принято делить на два семейства -- настоящие (сахаромицеты) и ложные (несахаромицеты).

К настоящим дрожжам относятся лишь те, которые могут размножаться наряду с вегетативными способами еще и спорами. В этом случае материнскую клетку, в которой образуются споры, можно рассматривать как аскус, а сами споры можно назвать аскоспорами. Отсюда становится понятным отнесение дрожжей к сумчатым грибам.

К ложным дрожжам относятся дрожжи, не размножающиеся спорами.

Семейства делятся на роды. Большинство постоянно используемых человеком культурных дрожжей относится к роду сахаромицесс семейства настоящих дрожжей. Дрожжи этого рода размножаются почкованием, способны к бесполому образованию спор. Виды этого рода различаются особенностями вызываемого ими брожения, соотношением различных конечных продуктов при сбраживании, отношением к температурам, способностью или неспособностью сбраживать различные сахара (по этому признаку виды разделяются на шесть так называемых сахарных групп).

Дрожжи, относящиеся к виду церевизия, используют для производства спирта, в пивоварении и хлебопечении. Отдельные разновидности этих дрожжей, различающиеся между собой по некоторым признакам, возникшим в результате многовекового культивирования в искусственных условиях (в условиях человеческого жилья), называются расами. В спиртовой промышленности часто применяются расы XII, Я, способные быстро и полно сбраживать сахар при температуре 28--30°С и- устойчивые к действию спирта. В пивоварении применяются другие расы, способные к медленному брожению при низких температурах (4--10 °С) и позволяющие получать хорошо осветляющееся, ароматное пиво с низким содержанием спирта. Особые расы дрожжей, обеспечивающие хороший подъем теста, используют в хлебопекарной промышленности. Другой вид этого рода -- эллипсоидес -- с успехом используется в виноделии. Виды турбиданс, пастерианус и некоторые другие, наоборот, в тех же производствах известны как вредители.

Из семейства ложных дрожжей, представляют интерес широко распространенные в природе представители рода торулопсис. Виды этого рода известны способностью вызывать слабое спиртовое брожение; используются в заквасках для кефира, кумыса.

Род микодерма -- «грибная кожа» -- образует морщинистые прочные пленки на поверхности квашеных овощей, в чанах, где ведется сбраживание пивного сусла или сахарных растворов при производстве уксуса. Вред, приносимый этими дрожжами, заключается в быстром использовании субстратов за счет глубокого окисления сахаров (до СО₂ и воды) и в придании несвойственных вкуса и запаха.

Многие дрожжи, развиваясь на пищевых продуктах, образуют на них налеты или колонии различной окраски. Некоторые способны вызывать тяжелые заболевания человека, поражая слизистые покровы, центральную нервную систему.

Различные представители этой группы микроорганизмов размножаются по-разному. Большинство дрожжей размножается почкованием. При этом на теле клетки образуется одно, а иногда несколько вздутий, в которые из материнской клетки поступают половина ядра, часть цитоплазмы и прочие структурные элементы. Затем почка отделяется от клетки. Иногда почки, еще не отделившись, начинают в свою очередь почковаться. В результате образуется целое скопление дрожжевых клеток (сросток почкования).

У некоторых видов дрожжей размножение осуществляется делением. Образуется перегородка, в результате чего клетка делится на две, не всегда равные части. При последовательном делении может образоваться целая цепочка, которая в конечном итоге распадается на отдельные дрожжевые клетки.

Размножение дрожжей -- процесс более длительный, чем у бактерий. В благоприятных условиях он происходит в течение нескольких часов.

Некоторые дрожжи, развиваясь на поверхности жидких субстратов, образуют довольно плотные морщинистые пленки, под которыми субстрат подвергается порче или его вещества превращаются в углекислый газ и воду; в результате снижается выход полезных продуктов. Особенно велик ущерб от таких дрожжей в виноделии, пивоварении, при хранении квашеных овощей.

У отдельных дрожжей поверхностные пленки настолько прочны, что могут служить белковым материалом для выдубливания.

Есть дрожжи, которые, кроме почкования и деления, размножаются еще и спорообразованием. Количество спор в дрожжевой клетке от 1 до 12, но чаще, 4. Споры имеют круглую, овальную или иную форму, часто причудливую (вид шляпы и др.). Образование спор может происходить бесполым и половым путем.

У многих так называемых культурных дрожжей, т. е. у дрожжей, издавна культивируемых человеком для производственно-хозяйственных целей, способность к спорообразованию ослаблена, а иногда полностью утрачена.

Споры дрожжей более устойчивы к вредным воздействиям, чем вегетативные клетки. Спорообразование наступает всегда после некоторого периода вегетативного размножения, т. е. после некоторых изменений в составе среды, побуждающих к спорообразованию. Другие неблагоприятные условия, в частности голодание, также способствуют образованию спор. Таким образом, классификация дрожжей весьма затруднена. Однако исходя из особенностей размножения, способнвсти или неспособности к использованию некоторых Сахаров и ввиду других признаков представляется возможным построить практическую классификацию.

Клетки дрожжей обычно имеют сферическую форму-- эллипсовидную или яйцевидную. Встречаются круглые, цилиндрические, лимонообразные (рис. 7) клетки. Форма не является надежным признаком для распознавания дрожжей, так как может заметно, меняться в зависимости от условий развития.

Размеры дрожжевых клеток довольно велики в сравнении с бактериями. В зависимости от вида дрожжей, их возраста, условий питания они колеблются в пределах 1--5 мкм по наименьшему диаметру и до 15 мкм по наибольшему диаметру.

В каждой клетке имеется четко отграниченное от цитоплазмы ядро, которое хорошо различимо в препаратах, окрашенных специальными красителями, связывающимися с веществами ядра и не окрашивающими цитоплазму.

У всех дрожжей отсутствуют жгутики, поэтому они неподвижны. В цитоплазме дрожжей имеются крупные вакуоли, хорошо заметные даже при небольшом увеличении; тельца, аналогичные по функциям мезосомам, -- митохондрии; рибосомы; запасные питательные вещества (рис. 8).

Микрофлора воды

Количественный и качественный состав микроорганизмов природных вод зависит главным образом от содержания в воде органических веществ, заселенности прибрежных районов, времени года, метеорологических и прочих условий.

В морях, реках, озерах и других водоемах содержатся различные микроорганизмы. Постоянно в воде встречаются Ps. fluorescens, Bact. aquatilis communis, Micr. candicans, Micr. roseus, Sarcina lutea, Torula rosea; pe же -- спорообразующие бактерии Вас. cereus, Вас. mycoides и др.

В чистой воде до 80% всех аэробных сапрофитных микробов приходится на кокковые формы, 20% -- на палочковидные.

При загрязнении водоемов различными нечистотами, органическими отбросами производства, особенно вблизи населенных пунктов, больших городов, изменяется видовой состав микрофлоры воды, содержание палочковидных и спорообразующих бактерий увеличивается.

Количество сапрофитных микроорганизмов в воде варьирует в довольно широких пределах -- от единиц до миллионов в 1 мл в зависимости от вида водоисточника и от степени его загрязнения.

Вода открытых водоемов более богата сапрофитными микроорганизмами, чем вода подземных источников.

В грунтовых водах и особенно в их глубоких водоносных слоях содержатся лишь единичные микроорганизмы.

Микрофлора морской воды представлена как микроорганизмами почвы, смываемыми с берегов, приносимыми реками, так и собственно морскими видами, обнаруживаемыми в открытом море. Это споровые и бесспоровые палочки, кокки, актиномицеты, дрожжеподобные грибы, люминесцентные бактерии. Больше половины морских бактерий хромогенны, т. е. способны продуцировать тот или иной пигмент. Встречаются галофильные микроорганизмы, которые хорошо переносят довольно высокие концентрации соли (до 20%). Многие морские микроорганизмы психрофильны, они могут размножаться и проявлять ферментативную активность при температуре, близкой к 0°С. Количество микроорганизмов в 1 мл воды Восточно-Сибирского и Чукотского морей на разных глубинах составляет от нескольких десятков до сотен тысяч. В 1 мл вод антарктического происхождения (от Антарктики до 50° ю. ш.) микробов не обнаружено.

Качественный состав микроорганизмов в реках чрезвычайно разнообразен: встречаются гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серо- и железобактерии, микроорганизмы, окисляющие нефть и разлагающие жиры. Наиболее интенсивно микробиологические процессы протекают в донных отложениях (донный ил). В прибрежной зоне вода и донный ил содержат большое количество микроорганизмов (от 100 млн. до 3 млрд. микробов в 1 г ила пресных водоемов).

В открытых водоемах количество бактерий резко возрастает во время весеннего половодья или обильных дождей. Зимой наибольшее количество микробов содержится в водоемах, загрязненных хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. Это объясняется тем, что зимой резко замедляются процессы самоочищения воды и увеличивается продолжительность выживания бактерий, приостанавливается развитие зоопланктона -- пожирателя бактерий. Благодаря ледяному и снежному покровам, а также слабой инсоляции микробы не подвергаются действию ультрафиолетовых лучей.

Микрофлора воздуха. Состав микрофлоры воздуха очень различен. В нем обнаружено до 100 различных видов сапрофитных микроорганизмов: споры гнилостных бактерий; споры плесневых грибов, дрожжей, актиномицет; из вегетативных форм микробов пигментные и беспигментные кокки и бактерии. Наиболее часто в воздухе встречаются следующие виды: Вас. subtilis, Вас. mesentericus, Вас. mycoides, P. glaucum, Mucor mucedo, Т. alba, Т. rosea, Act. griseus, Micr. roseus, Micr. candicans, Staph. citreus, Staph. albus и др.

Количественный и качественный состав микрофлоры атмосферного воздуха зависит от характера почвенного и водного покрова, общесанитарного состояния местности, сезонных, климатических и метеорологических факторов (интенсивность солнечной радиации, температура, атмосферные осадки и пр.).

Наиболее чистый воздух в районе полюса, над лесными массивами, морями, горами. Воздух над тайгой, морем содержит лишь единицы микробных клеток в 1 м³.

Воздух более загрязнен вблизи земной поверхности. Особенно загрязнен воздух в городах в период интенсивного уличного движения: содержание микроорганизмов достигает 4000--9800 особей в 1 м³; в парке, расположенном в окрестностях города, всего 175--345 особей в 1 м³. Зеленые древесные насаждения задерживают пыль и содержащихся в ней микробов.

Атмосферные осадки при прохождении через воздушную среду растворяют и осаждают находящиеся в ней взвешенные частицы. Поэтому после дождя или снегопада атмосфера в значительной степени очищается от бактерий.

Зимой благодаря наличию снежного покрова воздух содержит меньше микроорганизмов, чем летом.

Количество микроорганизмов в воздухе помещений для животных зависит от санитарно-гигиенического состояния помещения, плотности размещения животных, активности движения и т. д. В воздухе помещений для крупного рогатого скота содержание микроорганизмов достигает 12000--86000 в 1 м³, в свинарниках --25000-- 67000, в птичниках --30000--120000 и более особей в 1 м3 (А. П. Снегов, 1977).

В закрытых помещениях накапливается микрофлора, выделяемая человеком и животными: стрептококки, пневмококки, дифтероиды, стафилококки, т. е. обитатели верхних дыхательных путей. Кроме представителей носоглоточной микрофлоры в воздухе помещений иногда можно обнаружить микобактерии туберкулеза, вирусы.

Бактерии представляют собой наиболее изученную группу микроорганизмов. Величина их в среднем колеблется от 0,4 до 10 мкм (табл. 1). Однако известны бактерии, размеры которых достигают большей величины -- до 50 мкм.

По форме бактерии подразделяются на несколько групп, бсновные из которых: кокки -- шаровидной формы; палочки (бактерии и бациллы); вибрионы и спириллы -- изогнутые и спирально извитые формы; спирохеты -- длинные, тонкие, сильно извитые (рис. 1).

Размеры и форма тела бактерий могут значительно изменяться под влиянием различных факторов внешней среды. Под действием кислот, щелочей, температуры, в результате накопления в среде продуктов жизнедеятельности и других факторов могут возникать клетки, нетипичные по форме и даже уродлив ые.

Между строением бактерий и строением высших форм живых организмов имеется существенная разница. Высшие организмы построены сложно -- в них различают органы, состоящие из тканей, которые в свою очередь сложены из отдельных клеток. Схематично это выглядит так; организм>органы>ткани>клетки.

Бактерии же представлены лишь одной клеткой, которая и является полностью самостоятельным организмом (рис. 2).

Клетка бактерий окружена плотной оболочкой, состоящей из двух слоев: наружного (клеточной стенки) и внутреннего (цитоплазматической мембраны -- цитоклетка).

Оболочка выполняет защитные функции, придает клеткам постоянную, характерную для них форму (кокка, палочки, спириллы и др.).

Она обладает свойством полупроницаемости -- через нее питательные вещества проникают в клетку, а продукты жизнедеятельности клетки (продукты обмена) выходят в окружающую среду. Это относится к веществам, находящимся в сильно диспергированном виде в водных растворах (истинные растворы). Крупные же молекулы, с большой молекулярной массой, через оболочку не проходят. Функция регулятора обмена веществ присуща всей оболочке, но в большей мере -- цитоплазматической мембране.

Наружный, сравнительно рыхлый слой оболочки у некоторых бактерий может ослизняться, образуя капсулу. Толщина капсулы может во много раз превосходить диаметр клетки. Капсулы не являются обязательной частью клеток--они образуются под влиянием условий внешней среды. Капсулы, по-видимому, служат защитным покровом, участвуют в регуляции водного обмена, защищая клетки от высыхания. По химическому составу капсулы состоят в основном из полисахаридов, гликопротеидов.

Слизеобразующие бактерии, быстро размножаясь на поверхности субстратов, вызывают их порчу. Жидкие среды. они могут превращать в сплошную слизистую массу. Это явление иногда наблюдается в молоке, пиве, сахаристых экстрактах из свеклы и др. Слизеобразование активнее происходит при пониженных температурах (от --2 до 10 °С). Важной частью клеток является цитоплазма -- прозрачная, полужидкая масса белковой природы; наружная, более плотная часть цитоплазмы -- цитоплазматическая мембрана. Во внутренней» жидкой, бесструктурной части цитоплазмы находятся важные клеточные структуры -- рибосомы, мезосомы, ядро, запасные питательные вещества и др.

С возрастом в результате старения белковой коллоидной системы меняются свойства цитоплазмы. Она принимает ячеистое строение с образованием вакуолей.

Вакуоли -- полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком. По современным представлениям они являются резервуаром, где локализуются вредные для жизни клетки вещества, которые не представляется возможным удалить во внешнюю среду. Рибосомы -- зернистые образования, расположенные во всей цитоплазме. По химической природе они являются рибонуклеопротеидами. В них осуществляется синтез клеточных белков из поступающих веществ.

Мезосомы -- это сильно складчатые, различной формы тельца, расположенные в пограничном с оболочкой слое цитоплазмы. В них протекают энергетические процессы--освобождение энергии в результате окисления некоторой части органических веществ пищи. Здесь же синтезируются энергоемкие вещества клетки, например аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Ядро бактерий в отличие от других одноклеточных организмов некомпактно. Вещества ядра равномерно распределены по всей цитоплазме. О наличии в бактериальной клетке веществ, присущих ядру, судят по обнаруживаемым в ней дизоксирибонуклеиновым кислотам (ДНК). ДНК является носителем информации о наследственных свойствах клетки. Именно ядро ответственно за передачу всех признаков родительских организмов потомству (форма, типичные размеры, физиологические свойства и др.).

При размножении каждая вновь образуемая клетка бактерий получает полный набор нуклеиновых кислот, имеющихся у родительского организма. Свойства организма зашифрованы в структурных особенностях ДНК. В связи с некоторыми отличиями в функциях и строении аппарата наследственной информации бактерий от ядра других организмов, его чаще называют нуклеотид, или генофор. Дифференцированное, т. е. отграниченное от цитоплазмы, ядро характерно лишь для некоторых бактерий -- нитчатых, миксобактерий.

Запасные питательные вещества часто наблюдаются в цитоплазме. Они имеют вид гранул или капелек. Однако их наличие не является постоянным признаком для микроорганизмов и зависит от физико-химических особенностей среды обитания. Они накапливаются в благоприятных условиях, при обилии углеводного питания и расходуются на энергетические цели и для построения различных структур тела клеток (пластические цели), когда условия в отношении питания менее благоприятны. Гранулы могут быть представлены крахмалом, гликогеном, белком волютином. Запасный жир образует мелкие шарообразные капли. Кроме этого, в цитоплазме разных бактерий могут наблюдаться гранулы или капельки коллоидной серы, кальция, пигментов и др.

Жгутики представляют собой скрученные нитевидные образования, выступающие из-под цитоплазматической мембраны над поверхностью клетки. Жгутики являются органами движения. Расположение их может быть одиночное (монотрихиальное), пучком на одном или обоих концах клетки (лофотрихиальное) и по всей клетке (перитрихиальное) (рис. 3). Сокращения и изгибания жгутиков позволяют клетке передвигаться на свежие участки субстрата, приводят к «вентилированию» окружения клетки, освежению самого субстрата вокруг нее. Наибольшей подвижностью обладают монотрихи, наименьшей -- перитрихи. Жгутики очень тонки и при механических воздействиях, с возрастом легко теряются клетками.

Наличие жгутиков характерно не для всех бактерий, а лишь для некоторых палочковидных и шаровидных.

Бактерии, имеющие извитую форму тела, чаще передвигаются за счет волнообразного изгибания тела. Отдельные виды бактерий способны медленно передвигаться по поверхности за счет сокращений тела, вызывающих периодическое изменение формы клетки.

Некоторые бактерии на поверхности тела имеют многочисленные образования, подобные жгутикам, но тоньше и короче их. Это так называемые «пили», или реснички. Они необходимы для прочного прикрепления клеток к субстрату.

Некоторые бактерии обладают способностью образовывать споры. Это относится прежде всего к палочковидным формам; у кокков спорообразование встречается редко, а для вибрионов и спирилл оно отсутствует. Процесс спорообразования заключается в том, что в определенном месте бактериальной клетки цитоплазма начинает сгущаться, затем этот участок покрывается довольно плотной оболочкой. Остальная часть клетки постепенно разрушается. Таким образом, бактериальная клетка в течение нескольких часов превращается в спору.

В бактериальной клетке спора может располагаться центрально, на конце или занять промежуточное положение (субтерминальное). Споры различных видов имеют неодинаковую форму. Они могут быть шаровидными, овальными. Иногда диаметр спор превышает толщину клетки, и это приводит к ее деформации -- вздутию.

Эти особенности спорообразования у различных бактерий являются довольно постоянными признаками и часто используются в диагностике, т. е. при распознавании бактерий. Спорообразование стимулируется наступлением неблагоприятных для развития условий, обеднением питательной среды.

Жизненные процессы обменного характера, например дыхание, хотя и происходят в спорах, но, крайне замедленно.

Споры более устойчивы, чем вегетативные формы этих же бактерий, к действию проникающей радиации, ультразвука, высушиванию, замораживанию, разрежению, гидростатическому давлению, действию ядовитых веществ и др.

Споры некоторых бактерий остаются жизнеспособными даже после нахождения в течение 20 мин в кипящей концентрированной кислоте.

Устойчивость спор повышается при их предварительном обезвоживании.

Термостойкость спор можно объяснить сравнительно невысоким содержанием свободной воды в цитоплазме (по некоторым данным, всего 40 %) и относительно большим содержанием сухого вещества (в основном белка). Плотная, многослойная оболочка хорошо защищает споры от проникновения вредных веществ.

Благодаря способности к образованию спор, обладающих исключительно высокой устойчивостью к внешним воздействиям, спорообразующие бактерии остаются жизнеспособными при крайне неблагоприятных условиях.

Подавление жизнеспособности и уничтожение спорообразующих бактерий являются одной из основных практических задач консервной промышленности, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов.

Споры являются особой, устойчивой формой существования бактерий, способствующей сохранению данного вида. Спорообразование у бактерий не связано с размножением, так как бактериальная клетка способна образовывать лишь одну спору.

Если споры попадают в благоприятные условия, каждая из них в течение нескольких часов превращается в обычную (вегетативную) бактериальную клетку. Вначале лопается оболочка споры, а затем в этом месте появляется проросток клетки, постепенно превращающийся в нормальную клетку. Прорастание длится несколько часов. В практике нередко приходится наблюдать так называемые «дремлющие» споры. Это те, которые отстают от общей массы в скорости прорастания и, сохраняя жизнеспособность в течение долгого времени, могут прорастать постепенно через продолжительные сроки, исчисляемые временем от нескольких суток до многих лет.

Способность к образованию спор учитывается в систематике бактерий, при выборе методов стерилизации пищевых продуктов, оборудования, инвентаря. Спорообразование может утрачиваться при частых пересевах бактерий на свежую среду, культивировании их при высоких температурах.

Известно много способов размножения, наблюдаемых у различных бактерий. У подавляющего числа представителей этой группы микроорганизмов размножение осуществляется путем деления клеток на две части.

В средней части физиологически подготовленной к размножению клетки за счет впячивания цитоплазматической мембраны образуется поперечная перегородка. Расщепляясь, она разделяет клетку на две доловинки. Образовавшиеся новые клетки могут быть несколько неодинаковыми по размеру, так как перегородка не всегда проходит посередине материнской клетки.

Кокки в процессе размножения последовательно делятся в одной, двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях. После деления они остаются в той или иной мере скрепленными друг с другом, в результате чего возникают сочетания кокков, отличающиеся по взаимному расположению (см. рис. 1): диплококки -- парные кокки; стрептококки -- цепочки кокков; тетракокки -- по четыре кокка; сарцины -- в форме правильных тючков по 8, 16 шт.; стафилококки -- скопления, напоминающие грозди винограда. При очень слабой связи или ее отсутствии между возникающими при делении клетками образуются микрококки, во взаимном расположении которых нет никаких закономерностей. Они расположены поодиночке или в виде случайных скоплений по несколько экземпляров.

Палочки (бактерии, бациллы), подобно коккам, могут располагаться парами по длине -- диплобактерии и цепочками -- стрептобактерии. Большинство же палочек располагается одиночно, беспорядочно. По внешним очертаниям отдельные представители папочковидных заметно отличаются друг от друга. Известны палочки строго цилиндрической формы, бочковидные, с резко обрубленными, вогнутыми или заостренными концами и др.

Размножение делением не сводится только к удвоению числа клеток. Структурные элементы и вещества материнской клетки еще и перераспределяются между возникающими новыми клетками. Большая часть клеток нового поколения наследует бездефектные структуры родительских организмов, вторая -- менее полноценные. В связи с таким распределением по прошествии нескольких циклов деления образуется какое-то количество нежизнеспособных клеток. Устайовлено, что доля таких клеток, приходящаяся на каждый цикл деления, составляет примерно 10 % общего числа.

Бактерии обладают большой скоростью размножения, которая зависит от условий питания, температуры, доступа воздуха и др.

При благоприятных условиях _клетка может делиться через каждые 20--30 мин, т. е. за сутки может произойти 48--72 цикла удвоения. Из одной клетки за это время возникло бы 4714169·10¹⁵ клеток, через 36 ч микробная масса составила бы около 400 т.

Если бы размножение постоянно проходило с такой скоростью, то из одной клетки в течение 5 дней могло бы образоваться такое количество клеток, что общий объем их оказался бы равным объему всех морей и океанов.

Практически беспрерывного деления микробов не происходит. Размножению их мешают многие моменты: истощение питательной среды, накопление продуктов собственного обмена и другие физические, химические и биологические факторы внешней среды. Так, при снижении температуры на 10 °С скорость размножения снижается в 2--3 раза.