Біотехнологічні функції грибів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Мікробіологічний синтез різних речовин грає ключову роль в біотехнологічному виробництві. Початок сучасної промислової біотехнології було покладено в 40-х роках, коли налагодили виробництво пеніцилінів методами ферментації. В даний час мікроорганізми продукують десятки видів сполук - амінокислот, антибіотиків, білків, вітамінів, ліпідів, нуклеїнових кислот, полісахаридів, пігментів, цукрів, ферментів.

До різноманітного світу мікроорганізмів відносяться прокаріоти (одноклітинні організми, що не містять оформлених ядер) - бактерії, актиноміцети, рикетсії і нижчі еукаріоти (одноклітинні і багатоклітинні організми, що мають сформовані ядра, в яких хромосоми оточені спеціальної пористою мембраною, - дріжджі, нитчасті гриби, найпростіші і водорості. Із понад 100 тис. видів відомих в природі мікроорганізмів в біотехнологічних процесах використовують всього кілька сотень.

Промислова біотехнологія пред'являє до продуцентів жорсткі вимоги, які важливі для технології виробництва.

Виробничі штами мікроорганізмів повинні відповідати таким вимогам: здатність до зростання на дешевих поживних середовищах, висока швидкість росту і утворення цільового продукту, мінімальне утворення побічних продуктів, стабільність продуцента відносно виробничих властивостей, нешкідливість продуцента і цільового продукту для людини і навколишнього середовища. У зв'язку з цим всі мікроорганізми, використовувані в промисловості проходять тривалі випробування на нешкідливість для людей, тварин та навколишнього середовища. Важливою властивістю продуцента є стійкість до інфекції, що важливо для підтримки стерильності, і фагостійкість.

Бактерії використовуються при виробництві:

· харчових продуктів, наприклад, оцту (Gluconobacter suboxidans), молочнокислих напоїв (Lactobacillus, Leuconostoc) і ін.;

· мікробних інсектицидів (Bacillus thuringiensis);

· білку (Methylomonas);

· вітамінів (Clostridium - рибофлавін);

· розчинників і органічних кислот;

· біогазу.

Біотехнологічні функції грибів різноманітні. Їх використовують для отримання таких продуктів, як:

· антибіотики (пеніцилли, цефалоспорини);

· гибберелліни і цитокініни (фузаріум і ботрітіс);

· каротиноїди (н-р, астаксантин, що надає м'якоті лососевих риб червоно- помаранчевий відтінок виробляють Rhaffia rhodozima, яких додають в корм на рибозаводах);

· білок (Candida, Saccharomyces lipolitica);

· сири типу рокфор і камамбер (пеніцилли);

· соєвий соус (Aspergillus oryzae).

Водорості використовуються, в основному, для отримання білку. Дуже перспективні в цьому відношенні і культури одноклітинних водоростей, зокрема високопродуктивних штамів роду Chlorella і Scenedesmus. Їх біомаса після відповідної обробки використовується як добавки в раціони худоби, а також у харчових цілях.



1. Систематика та морфологія мікроорганізмів

Мікроорганізми - це невидимі простим оком представники всіх царств життя. Вони займають нижчі (найбільш древні) щаблі еволюції, але грають найважливішу роль в економіці, круговороті речовин в природі, в нормальному існуванні і патології рослин, тварин, людини.

Мікроорганізми заселяли Землю ще 3- 4 млрд. років тому, задовго до появи вищих рослин і тварин. Мікроби представляють найчисленнішу і різноманітну групу живих істот. Мікроорганізми надзвичайно широко поширені в природі і є єдиними формами живої матерії, заселяють будь-які, найрізноманітніші субстрати (середовища існування), включаючи і більш високоорганізовані організми тваринного і рослинного світу.

Можна сказати, що без мікроорганізмів життя в її сучасних формах була б просто неможливим.

Мікроорганізми створили атмосферу, здійснюють круговорот речовин і енергії в природі, розщеплення органічних з'єднань і синтез білку, сприяють родючості грунтів, утворенню нафти і кам'яного вугілля, вивітрюванню гірських порід, багатьом іншим природним явищам.

За допомогою мікроорганізмів здійснюються важливі виробничі процеси - хлібопекарство, виноробство і пивоваріння, виробництво органічних кислот, ферментів, харчових білків, гормонів, антибіотиків та інших лікарських препаратів.

В таксономічному відношенні мікроорганізми дуже різноманітні. Вони включають пріони, віруси, бактерії, водорості, гриби, найпростіші і навіть мікроскопічні багатоклітинні тварини.

Загальна ознака мікроорганізмів - мікроскопічні розміри; відрізняються вони будовою, походженням, фізіологією.

Бактерії - одноклітинні мікроорганізми рослинного походження, позбавлені хлорофілу і не мають ядра.

Гриби - одноклітинні і багатоклітинні мікроорганізми рослинного походження, позбавлені хлорофілу, але мають риси тваринної клітини, еукаріоти.

1.1 Морфологія бактерій

Прокаріоти відрізняються від еукаріот за низкою основних ознак.

1. Відсутність істинного диференційованого ядра (ядерної мембрани).

2. Відсутність розвиненої ендоплазматичної мережі, апарату Гольджі.

3. Відсутність мітохондрій, хлоропластів, лізосом.

4. Нездатність до ендоцитозу (захоплення частинок їжі).

5. Клітинний поділ не пов'язано з циклічними змінами будови клітини.

6. Значно менші розміри (як правило). Велика частина бактерій має розміри 0,5 0,8 мікрометрів (мкм) х 2- 3 мкм.

За формою виділяють такі основні групи мікроорганізмів.

1. Коки (з грецьк.- зерно).

2.Паличкоподібні.

3.Ізвиті.

4.Ниткоподібні.

Кокоподібні бактерії (коки) характером взаєморозташування після ділення поділяються на ряд варіантів.

1.Мікрококи. Клітини розташовані поодинці. Входять до складу нормальної мікрофлори, знаходяться в зовнішньому середовищі. Захворювань у людей не викликають.

2.Диплококи. Ділення цих мікроорганізмів відбувається в одній площині, утворюються пари клітин. Серед диплококів багато патогенних мікроорганізмів-гонокок, менінгокок, пневмокок.

3.Стрептококи. Ділення здійснюється в одній площині, розмножуються клітини зберігають зв'язок, утворюючи ланцюжки. Багато патогенних мікроорганізмів-збудники ангін, скарлатини, гнійних процесів.

4.Тетракоки. Ділення в двох взаємоперпендикулярних площинах з утворенням тетрад (тобто по чотири клітини). Медичного значення не мають.

5.Сарціни. Ділення в трьох взаємоперпендикулярних площинах, утворюючи тюки (пакети) з 8, 16 і більшої кількості клітин. Часто виявляють в повітрі.

6.Стафілококи (від лат. - гроно винограду). Діляться безладно в різних площинах, утворюючи скупчення, що нагадують грона винограду. Викликають численні хвороби, насамперед гнійно-запальні.

Паличкоподібні форми мікроорганізмів:

1.Бактерії- палички, не утворюють спор.

2.Бацили- аеробні спороутворюючі мікроби. Діаметр суперечки зазвичай не перевищує розміру ("ширини") клітини (ендоспори).

3.Клострідії - анаеробні спороутворюючі мікроби. Діаметр суперечки більше поперечника (діаметра) вегетативної клітини, у зв'язку з чим клітина нагадує веретено або тенісну ракетку.

Необхідно мати на увазі, що термін "бактерія" часто використовують для позначення всіх мікробів- прокаріотів. У вужчому (морфологічному) значенні бактерії- паличкоподібні форми прокаріот, що не мають спор.

Покручені форми мікроорганізмів:

1. Вібріони - мають один вигин, можуть бути у формі коми, короткого завитка.

2. Спірілли- мають 2 завитка.

3. Спірохети- мають різне число завитків, сукупність фібрил, специфічний для різних представників характер руху і особливості будови (особливо кінцевих ділянок).



2. Фізіологія росту і живлення мікроорганізмів

Фізіологія мікроорганізмів вивчає життєдіяльність мікробних клітин, процеси їх харчування, дихання, росту, розмноження, закономірності взаємодії з навколишнім середовищем.

2.1 Хімічний склад бактерій

До складу мікроорганізмів входять вода, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, мінеральні речовини.

Вода - основний компонент бактеріальної клітини, що становить близько 80 % її маси. Вона перебуває у вільнім або зв'язаному стані зі структурними елементами клітини. У суперечках кількість води зменшується до 18.20 %. Вода є розчинником для багатьох речовин, а також виконує механічну роль у забезпеченні тургору. При плазмолізі - втраті клітиною води в гіпертонічному розчині - відбувається відшарування протоплазми від клітинної оболонки. Видалення води із клітини, висушування припиняють процеси метаболізму. Більшість мікроорганізмів добре переносять висушування. При недоліку води мікроорганізми не розмножуються. Висушування у вакуумі із замороженого стану (ліофілізація) припиняє розмноження й сприяє тривалому збереженню мікробних особин.

Білки (40.80 % сухої маси) визначають найважливіші біологічні властивості бактерій і складаються звичайно з комбінацій 20 амінокислот. До складу бактерій входить діамінопімелінова кислота (ДАП), відсутня в клітинах людини й тварин. Бактерії містять більш 2000 різних білків, що перебувають у структурних компонентах, що й беруть участь у процесах метаболізму. Більша частина білків має ферментативну активність. Білки бактеріальної клітини обумовлюють антигенність і імуногенність, вірулентність, видову приналежність бактерій.

Нуклеїнові кислоти бактерій виконують функції, аналогічні нуклеїновим кислотам еукаріотичних клітин: молекула ДНК у вигляді хромосоми відповідає за спадковість, рибонуклеїнові кислоти (інформаційна, або матрична, транспортна й рибосомна) беруть участь у біосинтезі білка.

Бактерії можна характеризувати (таксономічно) по змісту суми гуаніну й цитозина (ГЦ) у молярних відсотках (М%) від загальної кількості підстав ДНК. Більш точною характеристикою мікроорганізмів є гібридизація їх ДНК. Основа методу гібридизації ДНК - здатність денатурованої (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, тобто з'єднуватися з комплементарною ниткою ДНК і утворювати двухцепочечную молекулу ДНК.

Вуглеводи бактерій представлені простими речовинами (моно- і дисахариди) і комплексними з'єднаннями. Полісахариди часто входять до складу капсул. Деякі внутрішньоклітинні полісахариди (крохмаль, глікоген і ін.) є запасними живильними речовинами.

Ліпіди в основному входять до складу цитоплазматичної мембрани і її похідних, а також клітинної стінки бактерій, наприклад зовнішньої мембрани, де, крім біомолекулярного шару ліпідів, є ЛПС. Ліпіди можуть виконувати в цитоплазмі роль запасних живильних речовин. Ліпіди бактерій представлені фосфоліпідами, жирними кислотами й гліцеридами. Найбільша кількість ліпідів (до 40 %) містять мікобактерії туберкульозу.

Мінеральні речовини бактерій виявляють у золі після спалювання клітин. У великій кількості виявляються фосфор, калій, натрій, сірка, залізо, кальцій, магній, а також мікроелементи (цинк, мідь, кобальт, барій, марганець і ін.).Вони беруть участь у регуляції осмотичного тиску, рН середовища, окисно-відновного потенціалу, активують ферменти, входять до складу ферментів, вітамінів і структурних компонентів мікробної клітини.

2.2. Харчування бактерій

Особливості харчування бактеріальної клітини складаються у вступі живильних субстратів усередину через усю її поверхню, а також у високій швидкості процесів метаболізму й адаптації до мінливих умов навколишнього середовища.

Типи харчування. Широкому поширенню бактерій сприяє різноманітність типів харчування. Мікроорганізми потребують вуглеводи, азот, сірку, фосфор, калій й інші елементи. Залежно від джерел вуглецю для харчування бактерії діляться на аутотрофи (від грецьк. autos - сам, trophe - їжа), що використовують для побудови своїх клітин діоксид вуглецю і інші неорганічні з'єднання, і гетеротрофи ( від грецьк. heteros -інший, trophe - їжа), що харчуються за рахунок готових органічних сполук.

Аутотрофними бактеріями є бактерії, що нітрифікують, перебувають у ґрунті; сіркобактерії, що живуть у воді із сірководнем; залізобактерії, що живуть у воді із закисним залізом, і ін.

Гетеротрофи органічні залишки, що утилізують, відмерлі організми у навколишньому середовищі, називаються сапрофітами. Гетеротрофи, що викликають захворювання в людини або тварин, відносять до патогенних і умовно-патогенних. Серед патогенних мікроорганізмів зустрічаються облигатні й факультативні паразити ( від грецьк. parasites - нахлібник). Облігатні паразити здатні існувати тільки усередині клітини, наприклад риккетсії, віруси й деякі найпростіші.

Залежно від окиснюваного субстрату, називаного донором електронів або водню, мікроорганізми ділять на дві групи. Мікроорганізми, що використовують у якості донорів водню неорганічні з'єднання, називають літотрофними ( від грецьк. lithos - камінь), а мікроорганізми, що використовують у якості донорів водню органічні сполуки, - органотрофами.

Враховуючи джерело енергії, серед бактерій розрізняють фототрофи, тобто фотосинтезуючі (наприклад, синьо-зелені водорості, що використовують енергію світла), і хемотрофи енергії, що бідують у хімічних джерелах.

Фактори росту. Мікроорганізмам для росту на живильних необхідні середовищах певні додаткові компоненти, які одержали назву факторів росту. Фактори росту - необхідні для мікроорганізмів з'єднання, які вони самі синтезувати не можуть, тому їх необхідно додавати у живильні. середовища Серед факторів росту розрізняють: амінокислоти, необхідні для побудови білків; пурини й піримідини, які потрібні для утворення нуклеїнових кислот; вітаміни, що входять до складу деяких ферментів. Для позначення відносини мікроорганізмів до факторів росту використовують терміни «ауксотрофи» і «прототрофи». Ауксотрофи потребують одного або декількох факторах росту, прототрофи можуть самі синтезувати необхідні для росту з'єднання. Вони здатні синтезувати компоненти із глюкози й солей амонію.

Механізми харчування. Вступ різних речовин у бактеріальну клітину залежить від величини й розчинності їх молекул у ліпідах або воді, рН середовища, концентрації речовин, різних факторів проникності мембран і ін. Клітинна стінка пропускає невеликі молекули й іони, затримуючи макромолекули масою більш 600 Д. Основним регулятором вступу речовин у клітину є цитоплазматична мембрана. Умовно можна виділити чотири механізми проникнення живильних речовин у бактеріальну клітину: це проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, транслокація груп. Найбільш простий механізм вступу речовин у клітину - проста дифузія, при якій переміщення речовин відбувається внаслідок різниці їх концентрації по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Речовини проходять через ліпідну частину цитоплазматичної мембрани (органічні молекули, лікарські препарати) і рідше по заповненим водою каналам у цитоплазматичній мембрані. Пасивна дифузія здійснюється без витрати енергії.

Полегшена дифузія відбувається також у результаті різниці концентрації речовин по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Однак цей процес здійснюється за допомогою молекулнпереносників, що локалізуються в цитоплазматичній мембрані, що й володіють специфічністю. Кожний переносник транспортує через мембрану відповідна речовина або передає іншому компоненту цитоплазматичної мембрани - властиво переноснику.

Білками-переносниками можуть бути пермеази, місце синтезу яких - цитоплазматична мембрана. Полегшена дифузія протікає без витрати енергії, речовини переміщаються від більш високої концентрації до більш низкою.

Активний транспорт відбувається за допомогою пермеаз і спрямований на перенос речовин від меншої концентрації убік більшої, тобто як би проти плину, тому даний процес супроводжується витратою метаболічної енергії (АТФ), що утворюється в результаті окисно-відновних реакцій у клітині.

Перенос (транслокація) груп подібний з активним транспортом, відрізняючись тим, що стерпна молекула видозмінюється в процесі переносу, наприклад фосфорилюється. Вихід речовин із клітини здійснюється за рахунок дифузії й при участі транспортних системеферменти бактерій. Ферменти розпізнають відповідні їм метаболіти (субстрати), вступають із ними у взаємодію й прискорюють хімічні реакції. Ферменти є білками, беруть участь у процесах анаболізму (синтезу) і катаболізму (розпаду), тобто метаболізму. Багато ферментів взаємозалежні зі структурами мікробної клітини. Наприклад, у цитоплазматичній мембрані є окисно-відновні ферменти, що участвующие в дихання й розподілі клітини; ферменти, що забезпечують харчування клітини, і ін. Окисно-відновні ферменти цитоплазматичної мембрани і її похідних забезпечують енергією інтенсивні процеси біосинтезу різних структур, у тому числі клітинної стінки. Ферменти, пов'язані з розподілом і аутолізом клітини, виявляються в клітинній стінці. Так звані ендоферментикаталізують метаболізм, що проходить усередині клітини.

Екзоферменти виділяються клітиною в навколишнє середовище, розщеплюючи макромолекули живильних субстратів до простих сполук, засвоюваних клітиною в якості джерел енергії, вуглецю й ін. Деякі екзоферменти (пеніцилліназа й ін.) інактивують антибіотики, виконуючи захисну функцію.

Розрізняють конститутивні й індуцибельні ферменти. До конститутивних ферментів відносять ферменти, які синтезуються клітиною безупинно, незалежно від наявності субстратів у живильній. середовищі Індуцибельні (адаптивні) ферменти синтезуються бактеріальною клітиною тільки при наявності в середовищі субстрату даного ферменту. Наприклад, в-галактозидаза кишковою паличкою на середовищі із глюкозою практично не утворюється, але її синтез різко збільшується при вирощуванні на середовищі з лактозою або іншим в-галактозидозом.

Деякі ферменти (так звані ферменти агресії) руйнують тканину й клітини, обумовлюючи широке поширення в інфікованій тканині мікроорганізмів і їх токсинів. До таких ферментів відносять гіалуронідазу, колагеназу, дезоксирибонуклеазу, нейрамінідазу, лецитиназу й ін. Так, гіалуронідаза стрептококів, розщеплюючи гіалуронову кислоту сполучної тканини, сприяє поширенню стрептококів і їх токсинів.

Відомо більш 2000 ферментів. Вони об'єднані в шість класів: оксидоредуктази - окисно-відновні ферменти (до них відносять дегідрогенази, оксидази й ін.); трансферази окремі радикали, що переносять, і атоми від одних сполук до інших; гідролази, що прискорюють реакції гідролізу, тобто розщеплення речовин на більш прості із приєднанням молекул води (естерази, фосфатази, глікозидази й ін.); ліази, які відщеплюють від субстратів хімічні групи негідролітичним шляхом (карбоксилази й ін.); ізомерази органічні сполуки, що перетворюють, у їхні ізомери (фосфогексоізомераза й ін.); лігази, або синтетази, що прискорюють синтез складних сполук із більш простих (аспарагінсинтетаза, глютамінсинтетаза й ін.).

Відмінності у ферментному складі використовуються для ідентифікації мікроорганізмів, тому що вони визначають їхні різні біохімічні властивості: сахаролітичні (розщеплення цукрів), протеолітичні (розкладання білків) і інші розщеплення, що виявляються по кінцевих продуктах (утвір лугів, кислот, сірководню, аміаку й ін.).

Ферменти мікроорганізмів використовують у генетичній інженерії (рестриктази, лігази й ін.) для одержання біологічно активних сполук, оцтової, молочної, лимонної й інших кислот, молочнокислих продуктів, у виноробстві й інших галузях. Ферменти застосовують як біодобавки в пральні порошки («Ока» і ін.) для знищення забруднень білкової природи.

2.3 Дихання бактерій

Дихання, або біологічне окиснення, засноване на окисно-відновних реакціях, що йдуть із утворенням АТФ - універсального акумулятора хімічної енергії. Енергія необхідна мікробній клітині для її життєдіяльності. При дихання відбуваються процеси окиснення й відновлення: окиснення - віддача донорами (молекулами або атомами) водню або електронів; відновлення - приєднання водню або електронів до акцептора. Акцептором водню або електронів може бути молекулярний кисень (такий Дихання називається аеробним) або нітрат, сульфат, фумарат (такий Дихання називається анаеробним - нітратним, сульфатним, фумаратним). Анаеробіоз ( від грецьк. аег - повітря + bios - життя) - життєдіяльність, що протікає при відсутності вільного кисню. Якщо донорами й акцепторами водню є органічні сполуки, то такий процес називається бродінням. При бродінні відбувається ферментативне розщеплення органічних сполук, переважно вуглеводів, в анаеробних умовах. З урахуванням кінцевого продукту розщеплення вуглеводів розрізняють спиртове, молочнокисле, оцтовокисле й інші види бродіння. мікроорганізм інфекція гриб бактерія

Стосовно молекулярного кисню бактерії можна розділити на три основні групи: облігатні, тобто обов'язкові, аероби, облігатні анаероби й факультативні анаероби.

Облігатні аероби можуть рости тільки при наявності кисню. Облігатні анаероби (клостридії ботулізму, газової гангрени, правця, бактероїди й ін.) ростуть тільки на середовищі без кисню, який для них токсичний. При наявності кисню бактерії утворюють перекісні радикали кисню, у тому числі перекис водню й супероксидоаніон кисню, токсичні для облигатных анаеробних бактерій, оскільки вони не утворюють відповідні инактивирующие ферменти. Аеробні бактерії інактивують перекис водню й супероксидоаніон відповідними ферментами (каталазою, пероксидазою і супероксиддисмутазою). Факультативні анаероби можуть рости як при наявності, так і при відсутності кисню, оскільки вони здатні перемикатися з дихання в присутності молекулярного кисню на бродіння в його відсутність. Факультативні анаероби здатні здійснювати анаэробное Дихання, називаний нітратним: нітрат, що є акцептором водню, відновлюється до молекулярного азоту й аміаку.Середоблигатних анаеробів розрізняють аеротолерантні бактерії, які зберігаються при наявності молекулярного кисню, але не використовують його.

Для вирощування анаеробів у бактеріологічних лабораторіях застосовують анаеростати - спеціальні ємності, у яких повітря заміняється сумішшю газів, що не містять кисню. Повітря можна видаляти з живильних шляхом середовищ кип'ятіння, за допомогою хімічних адсорбентів кисню, що містяться в анаеростати або інші ємності з посівами.

2.4 Ріст і розмноження бактерій

Життєдіяльність бактерій характеризується ростом - формуванням структурно-функціональних компонентів клітини й збільшенням самої бактеріальної клітини, а також розмноженням - самовідтворенням, що приводять до збільшення кількості бактеріальних клітин у популяції.

Бактерії розмножуються шляхом бінарного поділу навпіл, Рідше шляхом брунькування.

Актиноміцети, як і гриби, можуть розмножуватися спорами. Актиноміцети, будучи розгалуженими бактернями, розмножуються шляхом фрагментації ниткоподібних клітин. Грампозитивні бактерії діляться шляхом уростання перегородок, що синтезуються, поділу усередину клітини, а грамнегативні - шляхом перетяжки, у результаті утвору гантелеподібних фігур, з яких утворюються дві однакові клітини.

Поділу клітин передує реплікація бактеріальної хромосоми по напівконсервативному типу (двохспіральний ланцюг ДНК розкривається й кожна нитка добудовується комплементарною ниткою), що приводить до подвоєння молекул ДНК бактеріального ядра - нуклеоїда. Реплікація хромосомної ДНК здійснюється від початкової точки огі (від англ, origin - початок).

Хромосома бактеріальної клітини зв'язана в області огі із цитоплазматичною мембраною. Реплікація ДНК каталізується ДНК-полімеразами. Спочатку відбувається розкручування (деспіралізація) подвійному ланцюга ДНК, у результаті чого утворюєтьсяреплікативна вилка (розгалужені ланцюги); одна з ланцюгів, добудовуючись, зв'язує нуклеотиди від 5'- до 3'-кінця, інша - добудовується посегментно.

Реплікація ДНК відбувається в три етапи: ініціація, елонгація, або ріст ланцюги, і терминація. Що утворювалися в результаті реплікації дві хромосоми розходяться, чому сприяє збільшення розмірів зростаючої клітини: прикріплені до цитоплазматичної мембрани або її похідних (наприклад, мезосомам) хромосоми в міру збільшення обсягу клітини віддаляються друг від друга. Остаточне їхнє відокремлення завершується утворенням перетяжки або перегородки поділу. Клітини з перегородкою поділу розходяться в результаті дії аутолітичних ферментів, що руйнують серцевину перегородки поділу. Аутоліз при цьому може проходити нерівномірно:, що діляться клітини в одній ділянці залишаються зв'язаними частиною клітинної стінки в області перегородки поділу. Такі клітини розташовуються під кутом один до одного, що характерно для дифтерійних корінебактерій.

Розмноження бактерій у рідкому живильному середовищі. Бактерії, що не змінюють обсяг живильного середовища, розмножуючись, споживають живильні елементи, що приводить надалі до виснаження живильного середовища й припиненню росту бактерій. Культивування бактерій у такій системі називають періодичним культивуванням, а культуру - періодичної. Якщо ж умови культивування підтримуються шляхом безперервної подачі свіжого живильного середовища й відтоку такого ж обсягу культуральної рідини, то таке культивування називається безперервним, а культура - безперервної.

При вирощуванні бактерій на рідкому живильному середовищі спостерігається придонний, дифузійний або поверхневий ( у вигляді плівки) ріст культури. Ріст періодичної культури бактерій, вирощуваних на рідкому живильному середовищі підрозділяють на кілька фаз, або періодів:

§ лаг-фаза;

§ фаза логарифмічного росту;

§ фаза стаціонарного росту, або максимальної концентрації

§ бактерій;

§ фаза загибелі бактерій.

Ці фази можна зобразити графічно у вигляді відрізків кривій розмноження бактерій, що відбиває залежність логарифма числа живих клітин від часу їх культивування. Лаг-фаза ( від англ, lag - запізнювання) - період між посівом бактерій і початком розмноження. Тривалість лаг-фази в середньому 4.5 ч. Бактерії при цьому збільшуються в розмірах і готуються до поділу; наростає кількість нуклеїнових кислот, білка й інших компонентів. Фаза логарифмічного(експонентного) росту є періодом інтенсивного поділу бактерій.

Тривалість її близько 5.6 год. При оптимальних умовах росту бактерії можуть ділитися кожні 20-40 хв. Під час цієї фази бактерії найбільш ранимі, що пояснюється високою чутливістю компонентів метаболізму інтенсивно зростаючої клітини до інгібіторів синтезу білку, нуклеїнових кислот. Потім наступає фаза стаціонарного росту, при якій кількість життєздатних клітин залишається без змін, становлячи максимальний рівень ( М-Концентрація). Її тривалість виражається в годиннику й коливається залежно від виду бактерій, їх особливостей і культивування. Завершує процес росту бактерій фаза загибелі, що характеризується відмиранням бактерій в умовах виснаження джерел живильного середовища й нагромадження в ній продуктів метаболізму бактерій. Тривалість її коливається від 10 годин до декількох тижнів. Інтенсивність росту й розмноження бактерій залежить від багатьох факторів, у тому числі оптимального складу живильного середовища, окисно-відновного потенціалу, рН, температури й ін.

Розмноження бактерій на щільній живильній. середовищі Бактерії, що ростуть на щільних живильних, середовищах утворюють ізольовані колонії округлої форми зрівними або нерівними краями (S- і R-форми), різної консистенції й коліру, що залежить від пігменту бактерій.

Пігменти, розчинні у воді, дифундують у живильну й середовище офарблюють її, наприклад синегнійна паличка (Pseudomonasaeruginosa) офарблює середовище в синій колір. Інша група пігментів нерозчинна у воді, але розчинна в органічних розчинниках. Так, колонії « чудесної палички» мають криваво-червоний пігмент, розчинний у спирті. І, нарешті, існують пігменти, не розчинні ні у воді, ні в органічних сполуках.

Найпоширеніші серед мікроорганізмів такі пігменти, як каротини, ксантофіли й меланіни. Меланіни є нерозчинними пігментами чорного, коричневого або червоного кольори, що синтезуються з фенольних сполук. Меланини поряд з каталазою, супероксидцисмутазой і перокдсидазами захищають мікроорганізми від впливу токсичних перекісних радикалів кисню. Багато пігментів мають антимікробний, антибіотикоподібною дією.

Вид, форма, колір і інші особливості колоній на щільній живильній можуть середовищі враховуватися при ідентифікації бактерій, а також доборі колоній для одержання чистих культур.

У промислових умовах при одержанні біомаси мікроорганізмів з метою готування антибіотиків, вакцин, діагностичних препаратів, еубіотиків культивування бактерій і грибів здійснюють у ферментерах при строгім дотриманні оптимальних параметрів для росту й розмноження культур.

3. Морфологічна характеристика грибів

Гриби та найпростіші мають чітко обмежене ядро і відносяться до еукаріотів. Гриби крупніше бактерій, в еволюціному плані близькі до рослин (наявність клітинної стінки, що містить хітин або целюлозу, вакуолі з клітинним соком, нездатність до переміщення, видимий рух цитоплазми).

Ядерний матеріал грибів відділений від цитоплазми ядерною мембраною. Дріжджові гриби утворюють окремі овальні клітини. Пліснява формує клітинні ниткоподібні структури - гіфи.

Міцелій - переплетення гіфів - основна морфологічна структура. У нижчих грибів міцелій одноклітинний, не має внутрішніх перегородок (септ). Гриби розмножуються статевим і безстатевим (вегетативним) способом. При вегетативному розмноженні утворюються спеціалізовані репродуктивні структури - конідії. Вони можуть розташовуватися в спеціалізованих містилищах- спорангіях (ендоспори) або відшнуровуються від плодоносних гіф (екзоспори). Рідше спостерігають утворення спор усередині клітин, які є сегментами гіф. Дріжджові клітини розмножуються брунькуванням, міцелій не утворюють.

Статеве розмноження включає взаємодію спеціалізованих клітин, що мають істотні відмінності в морфології у різних грибів і часто використовуваних як диференціально - діагностична ознака.

Для більшості видів грибів, що мають медичне значення, характерна наявність конідій (або екзоспор), які є формами нестатевого розмноження. Їх класифікація багато в чому грунтується на морфологічних формах конідій.

Їх найбільш часті форми - бластопора, хламідоспори, артроспори, конідіоспора.

Бластоспори- прості структури, які утворюються в результаті брунькування, з наступним відділенням бруньки від батьківської клітини, наприклад у дріжджових грибів.

Хламідоспори утворюються в результаті збільшення гіфальних клітин з утворенням товстої оболонки, захисту спори від несприятливих умов навколишнього середовища.

Артроспори - спори, які утворюються шляхом фрагментації гіф на окремі клітини.

Конідіоспори - зрілі зовнішні спори, що виникають на диференційованих конідіофорах, що відрізняються від інших ниток міцелію за формою і розмірами або що розташовуються по бокам і на кінцях будь-якої гілки міцелію, прикріплюючись до неї безпосередньо або тонкою ніжкою.

До ендоспор досконалих грибів відносяться спорангіоспори мукорових грибів, що розвиваються в спеціальних органах (спорангіях), що розташовуються на вершині спорангієносцями. Спори звільняються при розриві стінки спорангія.

Основна функціональна відміна спор у бактерій і грибів: у бактерій спори забезпечують переживання в несприятливих умовах навколишнього середовища, у грибів утворення спор - спосіб розмноження.

3.1 Морфологічна характеристика найпростіших

Майже всі найпростіші мають мікроскопічні розміри (від 2 мкм до 0,2 мм), серед них трапляються й колоніальні форми (вольвокс). Живуть одноклітинні у прісних (амеба звичайна, евглена зелена, інфузорія-туфелька, вольвокс) та морських водоймах (форамініфери, променяки), у ґрунті (деякі види амеб, джгутикових, інфузорій). Багато з них ведуть паразитичний спосіб життя (лямблії, трипаносоми, малярійний плазмодій). У поширенні найпростіших вирішальне значення має волога.

Найпростіші -- це представники тваринного світу, що перебувають на клітинному рівні організації. Морфологічно вони становлять одну клітину, а функціонально -- цілісний організм. Тому клітина найпростіших побудована значно складніше, ніж клітина багатоклітинного організму. Це пояснюється тим, що клітини багатоклітинних організмів виконують лише певні функції, тоді як одна клітина найпростіших виконує всі життєві функції, притаманні цілісному організму: живлення, рух, виділення, дихання, розмноження тощо.

Особливості будови та життєдіяльності одноклітинних організмів

Клітина найпростішого, як і будь-яка еукаріотична клітина, має загальноклітинні органели. У цитоплазмі найпростіших виділяють два шари: зовнішній -- ектоплазму та внутрішній -- ендоплазму. Крім того, у найпростіших є характерні лише для них органели: руху (псевдоніжки, джгутики, війки), травлення (травні вакуолі, у інфузорії -- клітинний рот, глотка), виділення та осморегуляції (скоротливі вакуолі). Клітина одноклітинних тварин містить одне (амеба, евглена) чи кілька (інфузорія) ядер. Переважна більшість одноклітинних має здатність рухатися. За допомогою тимчасових випинів цитоплазми -- несправжніх ніжок (псевдоніжок) переміщуються найпростіші, позбавлені щільної клітинної оболонки (амеби). Швидкому пересуванню одноклітинних сприяють джгутики (евглена зелена) та війки (інфузорія-туфелька).

Способи живлення найпростіших різноманітні. Більшість із них живляться гетеротрофно. У амеби їжа потрапляє в цитоплазму за допомогою псевдоподій, що захоплюють її. У інфузорії коливання війок спричиняє потрапляння їжі в клітинний рот і глотку. Перетравлення їжі відбувається в травних вакуолях. Неперетравлені рештки їжі виводяться з клітини у будь-якому місці, до якого підходить травна вакуоля (амеба) або через особливі отвори (порошиця у інфузорії-туфельки). Серед одноклітинних тварин є види, які живляться як зелені рослини (вольвокс). У їх цитоплазмі є хроматофори -- органели з фотосинтезуючими пігментами. Для деяких джгутикових, що мають хроматофори (евглена зелена), характерний змішаний (міксотрофний) тип живлення. На світлі вони здатні до фотосинтезу, а в темряві живляться готовими органічними речовинами.

Дихання здійснюється шляхом надходження кисню через усю поверхню клітини. Він окислює складні органічні речовини до СО2, Н2О та інших сполук. При цьому вивільняється енергія, що використовується для процесів життєдіяльності тварин.

Виділення продуктів життєдіяльності відбувається через скоротливі вакуолі. За їх допомогою підтримується постійний осмотичний тиск усередині клітини. Скоротлива вакуоля виконує функцію відкачування води, що постійно потрапляє у клітину за законами космосу. Така осморегуляція характерна для прісноводних одноклітинних, у цитоплазмі яких міститься більше солей, ніж у довкіллі. У морських і паразитичних форм скоротливих вакуоль немає, оскільки концентрація солей у довкіллі не менша, ніж усередині організму.

Для найпростіших характерні нестатевий та статевий способи розмноження. Нестатеве розмноження здійснюється шляхом поділу та брунькування. Найчастіше розмножуються одноклітинні поділом материнського організму на дві дочірні клітини. Для інфузорії-туфельки, крім поділу, характерний статевий процес, під час якого дві інфузорії тимчасово сполучаються між собою та обмінюються малими ядрами. Таким чином інфузорії обмінюються генетичною (спадковою) інформацією, що міститься в їх ядрах.

Одноклітинним властива подразливість -- відповідь-реакція організму на зовнішні впливи. Несприятливі умови зовнішнього середовища одноклітинні переносять у стані цисти -- клітина округлюється, стискується, втягує органели руху і покривається товстою оболонкою.

Найпростіші поширені по всій земній кулі. До них належать вільноживучі та паразитичні види. За особливостями будови одноклітинні поділяються на кілька типів: Cаркоджгутикові, Споровики, Інфузорії. Живлячись здебільшого мікроорганізмами та органічними рештками, найпростіші включають їх у загальний процес кругообігу речовин у біосфері. Самі ж вони є кормом для деяких ракоподібних, молюсків, мальків риб. Помітна їхня роль у самоочищенні водойм. Процеси ґрунтоутворення також здійснюються за допомогою найпростіших. Джгутикові одноклітинні служать для біологічної оцінки ступеня чистоти водойм (біодіагностики). Форамініфери та променяки відіграють значну роль в утворенні відкладень крейди та вапняку, що є цінними будівельними матеріалами.

Паразитичні види (амеба дизентерійна, малярійний плазмодій, трипаносоми, лямблії, лейшманії) викликають небезпечні захворювання людини та свійських тварин, однак деякі з них є перспективними для створення біологічних методів боротьби зі шкідниками.



4. Застосування

наш час за допомогою мікроорганізмів здійснюється переробка побутових і технологічних стоків. Мікробіологічний процес протікає в анаеробних умовах в результаті якого утворюється біогаз, який складається з метану і СО2. Така переробка енергетично високоефективна, так як дозволяє зберігати і концентрувати енергію, яка вміщується у різних компонентах стоків (з часом регенерується більш 80% вільної енергії).

Мікробіологічна переробка стоків і побутових відходів для одержання біогазу широко використовується у Китаї та Індії. Біогаз можна одержувати із гною, який після переробки використовується як органічне добриво.

Продуктом біотехнології є також білкововітамінний концентрат (БВК). Цей продукт складається в основному із клітин мікроорганізмів. Виробництво його пов'язане із великомасштабним вирощуванням відповідних мікроорганізмів, які збирають і переробляють у харчові продукти. В основі одержання БВК лежить технологія ферментації - гілка бродильної промисловості і виробництва антибіотиків. Для того, щоб більш повніше переробляти субстрат у біомасу мікробів потрібен багатосторонній підхід.

Вирощування мікробів у харчових цілях викликає інтерес з двох причин. По-перше, вони ростуть дещо швидше ніж рослини чи тварини, час подвоєння їх чисельності вимірюється годинами. Це скорочує строки виробництва необхідної кількості їжі. По-друге, залежно від вирощуємих мікроорганізмів субстратом можуть використовуватись різні види сировини. Можна переробляти низькоякісні відходи або продукти, які вміщують легкодоступні вуглеводи і одержувати за рахунок їх мікробну біомасу, яка вміщує високоякісний білок.

Ще одним продуктом біотехнології є грибний білок (мікопротеїн) - це харчовий продукт, який складається в основному із міцелія гриба. При йог виробництві використовується штам Fusariumgraminearum, виділений із ґрунту. Якщо зіставити виробництво мікропротеїну із процесом синтезу білків тварин, то можна виявити ряд його переваг.

Деякі нові напрямки, що розвиваються на основі біотехнології і продукти, які одержують за її допомогою

Продукти

Сільське господарство

Одержання нових штамів, нових методів селекції рослин і тварин (включаючи клонування).

Виробництво хімічних речовин

Одержання органічних кислот (лимонна, ітаконова), використання ферментів у складі миючих речовин.

Енергетика

Збільшення використання біогазу, великомасштабне виробництво етанолу та рідкого палива.

Контроль за станом оточуючого середовища

Покращення методів тестування і моніторингу, прогнозування перетворення ксенобіотиків завдяки більш глибокому розумінню біохімії мікроорганізмів, удосконалення методів переробки відходів, особливо промислових.

Харчова промисловість

Створення нових методів переробки і зберігання харчових продуктів, одержання харчових добавок, використання білку, який синтезується одноклітинними організмами і ферментів при переробці харчової сировини.

Матеріалознавство

Вилугування руд, подальше вивчення і контроль біорозкладу.

Медицина

Застосування ферментів для удосконалення діагностики, створення датчиків на основі ферментів, використання мікроорганізмів та ферментів при виробництві складних ліків (наприклад, стероідів), синтез нових антибіотиків, застосування ферментів у терапії.

Крім більшої швидкості росту, перетворення субстрату у білок проходить ефективніше ніж при засвоєнні їжі тваринами. Не зайвим також нагадати, що корми для тварин повинні вміщувати деяку кількість білку (до 15-20%), залежно від виду тварин і способу їх утримання. Середній склад мікропротеїну та порівняння його із складом яловичини наведені у.

За допомогою біотехнології і, в першу чергу, за рахунок використання різних мікроорганізмів, ми одержуємо їстівні добавки та інгредієнти, в тому числі:

1. Лимонну кислоту. Раніше її отримували з лимонів, тепер - за допомогою грибу Aspergiliusnigerшляхом збродження патоки та гідролізати, які вміщують глюкозу.

2. Амінокислоти. Сьогодні їх виробляється більше 200 тис. тон за рік. Їх використовують головним чином як добавки до кормів і харчових продуктів.

Основну частину амінокислот одержують методом ферментації. Головним продуктом ферментації є глутамінова кислота (продуцент Corynebacteriumglutamicum) та лізин (Bacillusflavum).

3. Вітаміни - B-каротин, рибофлавін.

4. Підсилюючі смаку. Головним є натрієва сіль глутамінової кислоти. ЇЇ одержують за допомогою Micrococcusglutamicus.

5. Жири й масла.

6. Рослинні клеї.

7.Консервація фруктів та овочів.

При цьому слід зауважити, що затрати на організацію багатотоннажних біотехнологічних виробництв дуже великі і під силу тільки багатим фірмам. Головна перевага нових технологій полягає у тому, що вихід продукції із ферментеру чи біореактору набагато вищий ніж від рослин чи тварин тому виробництво предметів вжитку таким чином завжди є більш вигідним.

Деякі з нових направлень, таких як генетична інженерія, яка здатна перетворити людину на творця світу й захопила уявлення багатьох вчених і викликала велику їх зацікавленість. Передача генетичного матеріалу різними організмами, такими як бактерії, рослини, тварини і людина породила великі надії, причому деякі з них стали реальністю. Наприклад, одержання людського інсуліну за допомогою бактерій.

Размещено на Allbest.ru